DeVries, Correns andTsechemark

Before Molecular Biology…

Genetic materialin the nucleus

1 2

3

4 5

6

1903Sutton suggests thatgenetic information ison chromosomes

1905Baetson introduces the term“genetics” to describe thestudy of heredity

1909Johannsen proposes that Mendel’sfactors are called “Genes”

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– Genética Clássica- Morfológica

– Genética Moderna- Função do material genético

– tentativa para entender os fenómenos biológicos em termos moleculares

– como a célula se desenvolve, funciona, comunica, como controla as suas actividades, como erra e corrige…

– estudo dos genes e das suas actividades ao nível molecular• Estrutura• Expressão • Controlo da expressão

Biologia MolecularGenética Bioquímica

Dogma Central Dogma Central ee

Moléculas da Biologia Moléculas da Biologia MolecularMolecular

Central DogmaCentral Dogma

Transcrição

Tradução

RNARNApolymerasepolymerase

What?When?Where?How?

5’

5’

3’

3’

5’ 3’

Três moléculas de RNA envolvidas na Três moléculas de RNA envolvidas na traduçãotradução

Descodificação do Descodificação do mRNAmRNA

5’ 3’

Informação genética e expressão Informação genética e expressão génicagénica em em célulascélulas procariotasprocariotas

Transcrição e tradução no mesmo compartimento celular

Informação genética e expressão Informação genética e expressão génicagénica em em célulascélulas eucariotaseucariotas

Transcrição e tradução espacialmente separadas

O que é um gene?O que é um gene?

A informação biológica está contida em ambas as cadeiasambas as cadeias, mas apenas uma das cadeias contém a informação para cada gene individualmente

Gene é uma sequência de nucleótidos no DNA

Na molécula de DNA de cadeia dupla, os genes podem ser transcritos em direcções diferentes, mas sempre no sentido 5’sentido 5’ --3’3’

5’5’5’5’3’3’

3’3’

5’5’5’5’3’3’

3’3’

AA

BBCC

CCTAGTTACGG…CCTAGTTACGG…

The transactions of DNA and RNA

take place through the

matching of complementary bases

and

the binding of various proteins

to

specific sitesspecific siteson the DNA or RNA

MESSAGE

Cadeia Cadeia codificantecodificante e e não não codificantecodificante ou moldeou molde

5’5’5’5’3’3’

3’3’

AA

BBCC

Cadeia codificante ou sensepara o gene A

Cadeia molde ou não codificanteou non sense para o gene A

Cadeia molde ou não codificanteou non sense para o gene C e B

Cadeia codificante ou sensepara o gene C e B

The mRNA sequence is complementary to the DNA template strand

from which it is transcribed and therefore matches the sequence of

the nontemplate strand (except that the RNA has U where the DNA has T)

Sequences of DNA and transcribed RNA

When DNA base sequences are cited in scientific literature, the sequence of the nontemplatestrand is conventionally given, because this sequence is the same as that found in mRNA.

Replicação do DNAReplicação do DNAO DNA copiaO DNA copia --se a si mesmose a si mesmo

DNA DNA polimerasepolimerase

RNARNApolimerasepolimerase

J. D. Watson and F. H. C. Crick (1953) Molecular structure of nucleic acids: a tructure for deoxyribosenucleic acid. Nature, 171: 737-738

• “We wish to suggest a stucture for the salt ofdeoxyribose nucleic acid (D.N.A.).This structure hasnovel features which are of considerable biologicalinterest”

• “It has not escaped our notice that the specificspecific pairingpairing wehave postulated immediately suggests a possiblecopying mechanism for the genetic material ”

Dogma Central da Biologia Molecular(actualizado)

Replicação ProteínaDNA RNA

Replicação

Transcrição Reversa

Expressão

TraduçãoTranscrição

Transcrição ReversaTranscrição Reversa

TranscritaseTranscritasereversareversa

RNA RNA replicasereplicase

Nalguns vírus o material genético é RNA

O RNA pode ser “copiado” em DNA numa fase do ciclo de vida- transcrição reversa

O RNA é “copiado” em RNA- replicação do RNA

O material genético, geralmente o DNA, de um organi smo contém o plano de construção desse organismo

A informação contida no DNA é transmitida à descendência

A informação contida no DNA é EXPRESSA no seu fenótipo

ForbiddenForbidden arrowsarrows

• Proteínas não auto-replicam

• Síntese de RNA a partir de proteínas

• Síntese de DNA a partir de proteínas

Estrutura dos ácidos nucleicos

DNAe

RNA

Monomeric unit of nucleic acids

Nucleótido- unidade repetitiva do polímero de DNA

Sugar molecules in nucleic acids

Nitrogen bases in nucleic acids

Nucleoside vs Nucleotide

2’-desoxiadenosina 2’-desoxicitidina2’-desoxiguanosina2’-desoxitimidina

2’-desoxiadenosina 5’-monofosfato (dAMP) 2’-desoxicitidina 5’-monofosfato (dCMP) 2’-desoxiguanosina 5’-monofosfato (dGMP) 2’-desoxitimidina 5’-monofosfato (dTMP)

Formation of a nucleotide((RibonucleotideRibonucleotide ))

Grupo OH no C2 da ribose, participa em acontecimentos enzimáticos mediados por RNA.

Química da adição de um nucleótido à cadeia de DNA nascente

A energia para a polimerização vem da hidrólise dos dNTPs

2’2’--desoxicitosina 5’desoxicitosina 5’ --trifosfatotrifosfato

Formation of a polynucleotide strand

(C-O)

Base pairing and hydrogen bonds betweennitrogen bases in DNA

Complementaridade Complementaridade de basesde bases

A-T 2 pontes de HG-C 3 pontes de H

Extremities of DNA nucleotide strands5’-P (phosphate) and 3’-OH (hydroxil)

Molar concentrations:

-total purines = total pyrimidines-A = T and G=C-G/C%

DNA and RNA polynucleotide strands

(antiparalell orientation of complementary strands in DNA molecule)

Bases planares, hidrofóbicas

Estrutura tridimensional da Estrutura tridimensional da dupla hélicedupla hélice

O enrolamento da dupla-cadeia é feito no sentido dos ponteiros do relógio ( rightright --handedhanded ), no sentidoda progressão das cadeias

Major and minor groove of DNA molecule

Important features in DNA structureand

B conformation of DNA molecule

A conformaçãomais comum

10 pb/volta

DNA secondary structuresDifferent conformations of double-helix

Algumas regiões ricas em G/C,têm conformação Z

- Existem mais de 20 diferentesvariantes

- Dependem de condiçõesfisiológicas e da sequênciade bases

Characteristics of DNA secondary structures

Molécula de RNAMolécula de RNA

Estrutura primária e secundária da Estrutura primária e secundária da molécula de RNAmolécula de RNA

Designações das estruturas secundárias Designações das estruturas secundárias da molécula de RNAda molécula de RNA

Estrutura terciária da molécula Estrutura terciária da molécula de RNAde RNA

Diferentes moléculas de RNADiferentes moléculas de RNA

Localização genéticaLocalização genética

SínteseSíntese

ProcessamentoProcessamento

FunçãoFunção

das moléculas de

RNA

(mRNA, tRNA, rRNA, snRNAs e snoRNAs)

A ser leccionado mais adiante

Proteins

Structure SynthesisFolding

Structure of aminoacids

Each aminoacid consists of a central carbon atom (the α carbon) bonded to a hydrogen atom , a carboxyl group , an amino group , and a specific side chain(designated R). At physiological pH, both carboxyl and amino groups are ionizedionized.

Negatively charged R groups : Glu (E) and Asp(D)

**

*

Formation of a peptide bond

5’

5’

3’

3’3’ 5’

Nucleotide sequence dictates the primary structure of a peptide

Colinearity- parallel between the sequence of nucleotides in a geneAnd the order of aminoacids in a polypeptide

Secondary structures of proteins

ββββ sheet αααα helix

Tertiary structure Quaternary structure

How a protein folds into a compactconformation

Cell 3.6

The aminoacid sequence contains all theinformation needed to fold the polypeptide

into its correct tertiary structure

Effect of protein denaturation agents

Denaturation and spontaneous renaturation of a small protein

Genomes 11.24

Protein domains

A PROTEIN DOMAIN is a compact structural region of a protein that folds independently to form a defined structure.

Different domains usually are associated with a particular function of the protein.Ex. - Dimerization domain- Transcription activating domain- DNA-binding domain- Binding for effector molecules domain (ex. Steroid hormones)- Lim domain- POU domain etc.

For instances:Each DNA binding domain has a DNA binding MOTIF which is part of the

domain that has a characteristic shape specialized for specific DNA binding:- zinc containg modules (ex zinc fingers)- homeodomains (HD)- bZIP and bHLH motifs

Structure of transcriptional activators

Transcriptional activators consist of two independent domains:-the DNA-binding domain recognizes a specific DNA sequence-the activation domain interacts with other components of the transcriptional machinery

Zinc finger motif

Zinc finger motifs consist of loops in which anαααα helix and a ββββ sheet coordinately bind a zinc ion

ββββ sheet

DNA-binding motifs

Basic aa

E-box- CACGTG

Domains and architectures of transcription factors

Structure of the 4th LIM of PINCH. Zinc atoms are shown in grey.

Lim domain organsiation

LIM domains

Protein structural domains, comprised of two contig uous zinc fingers motifs,separated by a two aminoacid residue hydrophobic linker. LIM-domain containing proteins have been shown to p lay roles in:- cytoskeletal organisation,- organ development - oncogenesis

LIM-domains mediate protein:protein interactions that are critical to cellular processes.LIM domains have highly divergent sequences, apart from certain key residues.

The conserved residues are those involved in zinc binding or the hydrophobiccore of the protein. The sequence signature of LIM domains are as follows:

[C]-[X]2-4-[C]-[X]13-19-[W]-[H]-[X]2-4-[C]-[F]-[LVI]-[C]-[X]2-4-[C]-[X]13-20-C-[X]2-4-[C]