Princípios de Sistemática Molecular

Transcrição

1 ! Ciências teóricas e sistemática biológica "! DNA, genes, código genético e mutação! Alinhamento de seqüências! Mudanças evolutivas em seqüências de nucleotídeos! Otimização em espaços contínuos e discretos! Árvores filogenéticas Introdução! Inferência filogenética critério de matrizes de distâncias! Inferência filogenética critério de parcimônia! Inferência filogenética critério de verossimilhança máxima! Busca! Confiabilidade! Discussão de trabalhos em sistemática molecular 1. SEQÜÊNCIAS DE NUCLEOTÍDEOS GENOMAS E REPLICAÇÃO DE DNA GENES E ESTRUTURA GÊNICA Genes codificadores de proteínas Genes especificadores de RNA Pseudogenes Tradução e código genético Mutação

2 SEQÜÊNCIAS DE NUCLEOTÍDEOS Informação hereditária dos organismos vivos Ácido desoxiribonucleico DNA Duas fitas complementares dupla hélice Nucleotídeos Purinas Adenina (A) e Guanina (G) Pirimidinas Timina (T) e Citosina (C) Abreviações

3 SEQÜÊNCIAS DE NUCLEOTÍDEOS Informação hereditária dos organismos vivos Duas cadeias de DNA são unidas por pontes de hidrogênio Purina Pirimidina Ligação fraca (A T) Ligação forte (G C) G:C e A:T pareamento canônico de bases

4 SEQÜÊNCIAS DE NUCLEOTÍDEOS Informação hereditária dos organismos vivos A molécula de DNA é polarizada, com uma extremidade tendo um radical fósforo ( P) no carbono 5 do terminal do nucleotídeo e a outra extremidade tendo uma hidroxila livre ( OH) no carbono 3 A direção das pontes de fosfodiester determina a natureza da molécula 5 C C A A T 3 3 C C A A T 5 Por convenção, os nucleotídeos em uma molécula de DNA são escritos na ordem de transcrição Direção 5 3 SEQÜÊNCIAS DE NUCLEOTÍDEOS Informação hereditária dos organismos vivos Dupla hélice de DNA tem duas fitas dispostas em ordenação anti-paralela ou de complementaridade reversa A fita pesada contém mais que 50% das purinas, A e G A fita leve contém mais que 50% das pirimidinas, C e T

5 SEQÜÊNCIAS DE NUCLEOTÍDEOS Informação hereditária dos organismos vivos O comprimento de uma fita simples de ácidos nucleicos é medido pelo número de nucleotídeos O comprimento de uma fita dupla de ácidos nucleicos é medido em pares de bases (bp) milhares de pares de bases (kilobases, Kb) milhões de pares de bases (megabases, Mb)

6 GENOMAS E REPLICAÇÃO DE DNA Genoma theentirecomplementof genetic material carried by an individual A replicação do DNA ocorre antes da divisão celular Durante a replicação, cada uma das fitas de DNA serve como um molde para a formação de uma nova fita Replicação conservativa Cada célula resultante da divisão celular recebe uma dupla hélice contendo uma fita antiga e uma fita nova GENOMAS E REPLICAÇÃO DE DNA Origem de replicação Local onde as duas fitas do DNA parental foram separadas Replicação segue em ambas direções

7 GENES E ESTRUTURA GÊNICA Definição de gene Um segmento de DNA que codifica uma cadeia polipeptídica ou especifica uma molécula funcional de RNA Uma seqüência de DNA ou RNA genômico que é essencial para uma função específica A realização de uma função não exige que o gene seja traduzido ou mesmo transcrito GENES E ESTRUTURA GÊNICA Tipos de genes Genes que codificam proteínas (= Genes estruturais) Genes transcritos em RNA e traduzidos em proteínas Genes que especificam RNA (=Genes estruturais) Genes que são somente transcritos Genes não-transcritos

8 GENES E ESTRUTURA GÊNICA Transcrição Síntese de uma molécula complementar de RNA a partir de um molde de DNA A transcrição de genes estruturais é realizada por RNA polimerases GENES E ESTRUTURA GÊNICA Genes codificadores de proteínas Partes transcritas e não-transcritas Partes não-transcritas são designadas de acordo com sua localização relativa as partes transcritas Regiões flanqueadoras 5 e 3 5 seqüências específicas (sinais) que determinam initiation, tempo, timing, and tissue specificity of the transcription process Seqüências reguladoras que promovem o processo de transcrição» seqüências promotoras - região promotora

9 GENES E ESTRUTURA GÊNICA Genes codificadores de proteínas Regiões flanqueadoras 5 e 3 3 sinais para o término do processo de transcrição GENES E ESTRUTURA GÊNICA Genes codificadores de proteínas RNA transcrito = RNA mensageiro precursor (pré-mrna) Fita antisense fita do DNA da qual o prémrna é transcrito Fita sense fita complementar não-transcrita que é idêntica em seqüência ao pré-mrna

10 GENES E ESTRUTURA GÊNICA Genes codificadores de proteínas Pré-mRNA Introns seqüências transcritas que são spliced out durante o processamento do pré-mrna Exons seqüências que permanecem no mrna após o splicing GENES E ESTRUTURA GÊNICA Genes especificadores de RNA São transcritos em RNA mas não são traduzidos em proteínas Pseudogenes Um gene inativo originado de um gene ancestral ativo

11 TRADUÇÃO E CÓGIGOS GENÉTICOS Síntese de proteínas envolve um processo de decodificação Informação genética presente em uma molécula de mrna é traduzida em aminoácidos através de RNA transportadores (trna) TRADUÇÃO E CÓGIGOS GENÉTICOS Síntese de proteínas envolve um processo de decodificação Informação genética presente em uma molécula de mrna é traduzida em aminoácidos através de RNA transportadores (trna) trna Molécula pequena, nucleotídeos de comprimento Cada um dos 20 aminoácidos tem pelo menos um tipo de trna

12 TRADUÇÃO E CÓGIGOS GENÉTICOS Síntese de proteínas envolve um processo de decodificação Tradução envolve o reconhecimento sequencial de triplas de nucleotídeos adjacentes nãosobrepostos, codon, por uma seqüência complementar de três nucleotídeos, anti-codon, no trna trna que reconhece o codon UUA e carrega o aminoácido leucina é designado Leu trna UUA TRADUÇÃO E CÓGIGOS GENÉTICOS Síntese de proteínas envolve um processo de decodificação Tradução inicia em um codon de iniciação e prossegue que um codon de parada seja encontrado A fase na qual a seqüência é traduzida é determinada pelo codon de iniciação Quadro de leitura (reading frame)

13 TRADUÇÃO E CÓGIGOS GENÉTICOS Síntese de proteínas envolve um processo de decodificação Código genético Conjunto de regras que determina a correspondência entre os codons e os aminoácidos Código genético universal (padrão) 4 3 = 64 codons possíveis 61 codons especificam aminoácidos (codons sense) e 3 determinam o término da tradução (codon stop) UAA, UAG, UGA» TRADUÇÃO E CÓGIGO GENÉTICO

14 TRADUÇÃO E CÓGIGOS GENÉTICOS Síntese de proteínas envolve um processo de decodificação Degeneração Existem 61 codons sense e 20 aminoácidos Maioria dos aminoácidos (18 em 20) são codificados por mais de um codon Codons sinônimos Codons diferentes que codificam o mesmo aminoácido Família de codons Codons sinônimos que diferem somente na terceira posição Valina GUU, GUC, GUA, GUG TRADUÇÃO E CÓGIGOS GENÉTICOS Genoma mitocondrial animal utiliza codons que diferem do código genético universal

15 MUTAÇÃO Seqüências de DNA são de um modo geral copiadas exatamente durante o processo de replicação Erros na replicação de DNA ou no reparo ocorrem e dão origem a novas seqüências Mutação fonte de variação e novidade no processo de evolução Mutações podem ocorrem nas células germinativas ou somáticas Mutações somáticas não são herdadas Não são importantes do ponto de vista evolutivo MUTAÇÃO Classificação pelo comprimento da seqüência de DNA influenciada pelo evento de mutação Mutação de ponto Um único nucleotídeo é influenciado Classificação pelo tipo de mudança da seqüência de DNA influenciada pelo evento de mutação

16 MUTAÇÃO Classificação pelo tipo de mudança da seqüência de DNA influenciada pelo evento de mutação Substituição Substituição de um nucleotídeo por outro Recombinação Troca de uma seqüência por outra Deleção Remoção de um ou mais nucleotídeos Inserção Adição de um ou mais nucleotídeos Inversão Rotação de 180 de um segmento de fita dupla de DNA contendo duas ou mais bases MUTAÇÃO Substituição Substituição de um nucleotídeo por outro Transição A e G (Purinas ) ou C e T (Pirimidinas) Transversão Mudanças entre uma purina e uma pirimidina Quatro tipos de transições»a G, G A, C T, T C Oito tipos de transversões»a C, A T, C A, C G»T A, T C, G C, G T

17 MUTAÇÃO Substituição Substituição de um nucleotídeo por outro Efeito sobre o produto da tradução (regiões codantes)» Mutação sinônima Não causa mudança no aminoácido especificado» Mutação não-sinônima Causa mudança no aminoácido especificado» Missense Muda o codon para outro que especifica um aminoácido diferente» Nonsense Muda o codon para outro que especifica um codon de parada MUTAÇÃO Substituição Substituição de um nucleotídeo por outro

18 MUTAÇÃO Taxas Taxa. Mat. Razão entre as variações de duas grandezas das quais a primeira é dependente da segunda. (Aurélio) Rate. 1. a measurement of the speed at which something happens. (Oxford) MUTAÇÃO Taxas de mutação Estimativas indiretas a partir da taxa de substituição em pseudogenes Taxa média de mutação no DNA nuclear de mamíferos 3 a substituições de nucleotídeos por sítio de nucleotídeo por ano Taxa varia com a região do genoma > 10-3 para micro-satélites

19 MUTAÇÃO Taxas de mutação Taxa de mutação no DNA mitocondrial de mamíferos Pelo menos 10 vezes mais alta que a média da taxa nuclear Taxa de mutação do virus da gripe A 10-2 mutações por sítio de nucleotídeo por ano» 2 milhões de vezes mais alta que a taxa de mutação do DNA nuclear de vertebrados MUTAÇÃO Distribuição espacial das mutações Mutações não ocorrem aleatoriamente no genoma Algumas regiões são mais susceptíveis a mutações» Hotspots

20 ! Ciências teóricas e sistemática biológica "! DNA, genes, código genético e mutação "! Alinhamento de seqüências! Mudanças evolutivas em seqüências de nucleotídeos! Otimização em espaços contínuos e discretos! Árvores filogenéticas Introdução! Inferência filogenética Critério de matrizes de distâncias! Inferência filogenética Critério de parcimônia! Inferência filogenética Critério de verossimilhança máxima! Busca! Confiabilidade! Discussão de trabalhos em sistemática molecular