Before Molecular Biology

(1)

DeVries, Correns and Tsechemark

Before Molecular Biology…

Genetic material in the nucleus 1 ₂ 3 4 5 6

(2)

1903

Sutton suggests that genetic information is on chromosomes

1905

Baetson introduces the term “genetics” to describe the study of heredity

1909

Johannsen proposes that Mendel’s factors are called “Genes”

(3)

– 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 Molecular

(4)

Dogma Central

e

Moléculas da Biologia

Molecular

(5)

Central Dogma

Transcrição Tradução

RNA

polymerase

What? When? Where? How? 5’ 5’ 3’ 3’ 5’ 3’

(6)

(7)

Três moléculas de RNA envolvidas na

tradução

(8)

Descodificação do

mRNA

_mRNA

(9)

Informação genética e expressão

génica

em

células

procariotas

(10)

Informação genética e expressão

génica

em

células

eucariotas

(11)

O que é um gene?

A informação biológica está contida em

ambas as cadeias, mas apenas

ambas as cadeias

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’

-

3’

5’ 5’ 5’ 5’ 3’ 3’ 3’ 3’ 5’ 5’ 5’ 5’ 3’ 3’ 3’ 3’ A A B B C C CCTAGTTACGG… CCTAGTTACGG…

(12)

The transactions of DNA and RNA

take place through the

matching of complementary bases

and

the binding of various proteins

to

specific sites

on the DNA or RNA

MESSAGE

(13)

Cadeia

codificante

e

não

codificante

ou molde

5’ 5’ 5’ 5’ 3’ 3’ 3’ 3’ A A B B C C

Cadeia codificante ou sense para o gene A

Cadeia molde ou não codificante ou nonsense para o gene A

Cadeia molde ou não codificante ou nonsense para o gene C e B

Cadeia codificante ou sense para o gene C e B

(14)

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 nontemplate strand is conventionally given, because this sequence is the same as that found in mRNA.

(15)

Replicação do DNA

O DNA copia

O DNA copia-

-

se a si mesmo

DNA DNA polimerase polimerase RNA RNA polimerase polimerase

(16)

J. D. Watson and F. H. C. Crick (1953) Molecular

structure of nucleic acids: a tructure for deoxyribose

nucleic acid. Nature, 171: 737-738

• “We wish to suggest a stucture for the salt of

deoxyribose nucleic acid (D.N.A.).This structure has

novel features which are of considerable biological

interest”

• “It has not escaped our notice that the

specific

pairing we

pairing

have postulated immediately suggests a possible

(17)

Dogma Central da Biologia Molecular

(actualizado)

Replicação

DNA

RNA

Proteína

Replicação Transcrição Reversa

Expressão

Tradução

Transcrição

(18)

Transcrição Reversa

Transcritase Transcritase reversa reversa RNA

(19)

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 organismo

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

(20)

Forbidden

arrows

• Proteínas não auto-replicam

• Síntese de RNA a partir de proteínas

• Síntese de DNA a partir de proteínas

(21)

Estrutura dos ácidos

nucleicos

DNA

e

RNA

(22)

(23)

Monomeric unit of nucleic acids

(24)

(25)

(26)

Nucleoside vs Nucleotide

2’-desoxiadenosina 2’-desoxicitidina 2’-desoxiguanosina 2’-desoxitimidina

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

(27)

Formation of a nucleotide

(

Ribonucleotide

)

(28)

Química da adição de um nucleótido à cadeia

de DNA nascente

A energia para a polimerização vem da hidrólise dos dNTPs

2’

(29)

Formation of a polynucleotide strand

(30)

Base pairing and hydrogen bonds between

nitrogen bases in DNA

Complementaridade Complementaridade de bases de bases A-T 2 pontes de H G-C 3 pontes de H

(31)

Extremities of DNA nucleotide strands

5’-P (phosphate) and 3’-OH (hydroxil)

Molar concentrations:

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

(32)

DNA and RNA

polynucleotide strands

(antiparalell orientation of complementary strands in DNA molecule)

(33)

Estrutura tridimensional da

dupla hélice

O enrolamento da dupla-cadeia é feito no sentido dos ponteiros do relógio (rightright--handed), no sentidohanded

(34)

(35)

Important features in DNA structure

and

B conformation of DNA molecule

A conformação mais comum

(36)

DNA secondary structures

Different conformations of double-helix

Algumas regiões ricas em G/C, têm conformação Z

- Existem mais de 20 diferentes variantes

- Dependem de condições fisiológicas e da sequência de bases

(37)

(38)

Molécula de RNA

(39)

(40)

Estrutura primária e secundária da

molécula de RNA

(41)

Designações das estruturas secundárias

da molécula de RNA

(42)

Estrutura terciária da molécula

de RNA

(43)

Diferentes moléculas de RNA

(44)

Localização genética

Síntese

Processamento

Função

das moléculas de

RNA

(mRNA, tRNA, rRNA, snRNAs e snoRNAs)

(45)

Proteins

Structure

Synthesis

(46)

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

(47)

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

* *

(48)

(49)

5’

3’

3’ 5’

Nucleotide sequence dictates the primary

structure of a peptide

Colinearity- parallel between the sequence of nucleotides in a gene

(50)

Secondary structures of proteins

(51)

(52)

How a protein folds into a compact

conformation

Cell 3.6

The aminoacid sequence contains all the

information needed to fold the polypeptide

into its correct tertiary structure

(53)

(54)

Denaturation and spontaneous renaturation of a

small protein

(55)

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

(56)

Structure of transcriptional activators

Transcriptional activators consist of two independent domains: -the DNA-binding domain recognizes a specific DNA sequence

(57)

Zinc finger motif

Zinc finger motifs consist of loops in which an

αααα

helix and a

ββββ

sheet coordinately bind a zinc ion

(58)

DNA-binding motifs

Basic aa

(59)

(60)

(61)

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

Lim domain organsiation

LIM domains

Protein structural domains, comprised of two contiguous zinc fingers motifs, separated by a two aminoacid residue hydrophobic linker.

LIM-domain containing proteins have been shown to play 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 hydrophobic

core of the protein.

The sequence signature of LIM domains are as follows:

(62)