Biologia Celular Molecular 2010-11
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Biomoléculas
Biologia Celular Molecular 2010-11
2
Sumário • Organização molecular da célula • Noção de molécula e macromolécula • Açúcares • Ácidos Nucleicos • Proteínas e • Lípidos
Aula N°3B
3 H;C;N;O constituem 99% do total do numero de átomos presentes no corpo Humano.
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– Protões • Núcleo
– Neutrões
• Electrões • Orbitais Electrónicas • Massa atómica • Número atómico
Átomo
Os electrões da camada mais externa determinam como os átomos interagem
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5
Mod
elo
Ató
mic
o
Nuvem electrónica
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6
Nív
eis d
e En
ergi
a n
os Á
tom
os
Nuvens electrónicas podem ficar grandes Para aumentar em tamanho, deve ser absorvida energia
Energia = capacidade
para produzir trabalho
Uma parte importante para perceber a vida
está em entender como
a energia é armazenada e move se de
molécula para molécula
Ana
logi
a C
atar
atas
Energia Potencial
Energia Cinética
Calor desperdício
(uma vez alcance fundo)
Gerador de turbina ,
Gravidade (centro TERRA)
7
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8
Elec
trões
Arm
azen
am E
nerg
ia Energia química
potencial está dentro das ligações químicas!
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Ligações químicas
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• Noção:
• Força atractiva que une dois átomos
para formar uma molécula
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Form
ação
de
Lig
açõe
s Cov
alen
tes
Uma ligação covalente é
formada quando electrões
são compartilhados entre átomos
12
Exem
plos
Lig
açõe
s Cov
alen
tes Ligações
Covalentes são fortes
Envolvem um número de
electrões que são partilhados entre átomos
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13
Mol
écul
a N
ão-P
olar
14
Lig
açõe
s Cov
alen
tes P
olar
—H
Na ligação covalente polar os electrões são compartilhados de
maneira desigual.
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15
Liga
ções
Hid
rogé
nio
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16
Ligações Iónicas
Uma ligação iónica é formada quando os electrões são transferidos de um
átomo a outro.
As ligações iónicas representam um extremo de polaridade
Liga
ções
Ióni
cas
Resultam da atracção electrostática entre dois iões portadores
de cargas opostas. Nesta ligação, não há partilha de electrões. 17
18
Table: Important Ions of the Body
Interacções hidrofóbicas
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• • Moléculas polares têm afinidade entre si
• • Moléculas apolares têm afinidade entre si, aproximando-se mais umas das outras em presença de água Interacções hidrofóbicas
• • Forças de van der Waals ocorrem entre 2 átomos muito próximos pertencentes a moléculas apolares as nuvens electrónicas tendem a repelir-se, formando um dipolo
20
Mor
fina/
Endo
rfin
a “Forma
molecular é crucial em
biologia porque determina
como moléculas biológicas
reconhecem e respondem uma a outra
com especificidade”
.
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21
Fos
folip
idos
Interacções Van der Waals
Somente as moléculas com
formas complementares podem ligar-se
por ligações fracas."
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22
Met
abol
ism
o
O metabolismo é a soma de todas as reacções químicas
que se dão dentro dos organismos
Reagentes
Produtos
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Energia de activação:
• Energia necessária a fornecer ao sistema para se iniciar uma reacção química.
" movie
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24
Concentração de Iões de hidrogénio (pH) em Bio sistemas
• Ácido - contribui H+ para a solução
(CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H+ + HCO3- )
• Base - diminui H+ na solução ( NH3 + H2O <=> NH4
+ OH-)
• Tampão minimiza mudanças de pH
25 :pH scale
Concentração de Iões de hidrogénio (pH) em Bio sistemas
26
A abundância de elementos na crosta terrestre difere radicalmente
da abundância nos tecidos animais
27
Elem
ento
s no
Cor
po
Os elementos de traço são
encontrados em quantidades
menores mas não obstante são
essenciais a uma existência saudável
28 As células são formadas por relativamente poucos tipos de átomos
29
30 Monómeros Mais Comuns nas Células
Molécula No. Presente
Nomes Moléculas Regra na célula
Aminoácidos 20 Ala (A) Leu (L) Arg (R) Lys (K) Asp (N) Met (M) Asp (D) Phe (F) Cys (C) Pro (P) Gln (Q) Ser (S) Glu (E) Thr (T) Gly (G) Trp (W) His (H) Tyr (Y) Ile (I) Val (V)
Monómeros de proteínas
Bases Aromático
5 Adenina Timina Citosina Uracilo Guanina
Monómeros para ácidos nucleicos
Açucares 2 Ribose Componente de ácidos nucleicos
Glucose Metabolismo Energia Lipidos 3 Colina Componentes de
fosfolipidos Glicerol
Palmitato
Estrutura e propriedades da água
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30
• Molécula polar, forma pontes de hidrogénio
• • Propriedades únicas:
• – Estado sólido menor densidade (gelo flutua)
• – Temperatura de fusão alta e temperatura de
congelação baixa (intervalo de temperatura alargado
no estado líquido)
• Elevado calor específico (temperatura da água muito
• constante)
Estrutura e propriedades da água
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31
• –– Elevada temperatura de evaporação (evita
sobreaquecimento do ambiente adjacente)
• – Coesão e tensão superficial (pontes de hidrogénio
mantêm a coluna de água unida da raíz às folhas de
uma planta; pequenos animais podem-se movimentar
à superfície da água)
32
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33
Water Is Lighter as Solid than as a Liquid
This means that ice forms an insulating blanket over water.
Carbono: elemento central da química da célula
34
• Grupos funcionais em química orgânica
Isómeros
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35
• Isómeros estruturais – igual fórmula molecular, diferente fórmula de estrutura
• • Isómeros ópticos – igual fórmula molecular e de estrutura, entre si são uma imagem real é como uma imagem no espelho (vulgar nos açúcares simples e
aminoácidos)
Isómeros ópticos
36
Macromoléculas
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37
• Figure 3-5 A GALLERY OF MOLECULES. Space-filling models of proteins compared with a lipid bilayer, transfer RNA, and DNA, all on the same scale. (Modified from Goodsell D, Olsen AJ: Soluble proteins: Size, shape, and function. Trends Biochem Sci 18:65-68, 1993.)
• Downloaded from: StudentConsult (on 24 September 2010 11:39 AM) • © 2005 Elsevier
As macromoléculas são constituídas a partir pequenas unidades
39
• • Proteínas: polímeros de aminoácidos
• • Polissacarídeos: polímeros de açucares simples
• • Ácidos nucleicos: polímeros de nucleótidos
• • Lípidos complexos: constituídos por diferentes unidades de lípidos simples
40
• Reacções de formação e de
• degradação de macromoléculas
Proteínas
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41
• Macromoléculas mais importantes e abundantes nas células
• • Variedade de funções:
• – Catálise (enzimas)
• – Estrutural
• – Mobilidade celular
• – Comunicação intercelular
• – imunidade
42
Proteínas executam quase todas funções de célula
• Permitem passagem de moléculas e íões através da membrana celular
• Servem como mensageiros inter e intracelular
• Actuam como motores moleculares para mover organitos dentro da célula
• Copiam material genético
• Transcrevem e traduzem genes
• Catalisam reacções de catabolismo
• Estrutura e Forma
Colagénio
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Proteínas
• São polímeros de aminoácidos
• 20 aminoácidos
• São macromoléculas sintetizadas sob o comando de instruções específicas presentes nos ácidos nucleicos (genes)
– Alterações nos genes podem causar mudanças na conformação e na acção biológica das proteínas
– Cada gene codifica uma proteína " Video
Letra Aminoácido A (Ala) – Alanina C (Cys) – Cisteina D (Asp) – Ácido Aspartico E (Glu) – Ácido Glutâmico F (Phe) – Fenilalanina G (Gly) – Glicina H (His) – Histidina I (Ile) – Isoleucina K (Lys) – Lisina L (Leu) – Leucina M (Met) – Metionina N (Asn) – Asparagina P (Pro) – Prolina Q (Gln) – Glutamina R (Arg) – Arginina S (Ser) – Serina T (Thr) – Treonina V (Val) – Valina W (Trp) – Triptofano Y (Tyr) – Tirosina
Os aminoácidos são designados pelas primeiras três letras do seu nome em inglês, 44
45
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• O carbono α de cada aminoácido está ligado a 4 grupos químicos (um grupo amina, um grupo carboxílico e um hidrogénio).
• A cadeia lateral é diferente em cada aminoácido.
• As cadeias laterais variam
• no tamanho, forma, carga, hidrofobicidade e reactividade.
Aminoácidos
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Como o carbono α, com excepção do aminoácido glicina, é assimétrico em todos os aminoácios estas moléculas possuem dois isómeros (L e D).
Apesar das propriedades químicas destes isómeros ópticos serem semelhantes, a sua actividade biológica é distinta. Apenas os isómeros L são encontrados nas proteínas
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50
• Ligação peptídica
• Figure 3-4 THE POLYPEPTIDE BACKBONE. This perspective drawing shows four planar peptide bonds, the four participating α-carbons (labeled 1 to 4), the R groups represented by the β-carbons, amide protons, carbonyl oxygens, and the two rotatable backbone bonds . The dotted lines outline one amino acid. (Adapted
from Creighton TE: Proteins: Structure and Molecular Principles. New York, WH Freeman and Co, 1983.)
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Aminoácidos
Os aminoácidos podem ser classificados em hidrofóbicos e hidrofílicos. A diferente solubilidade em água é influenciada pela polaridade das cadeias laterais.
Os aminoácidos com cadeias laterais polares são hidrofílicos e tendem a estar na superfície das proteínas.
Os aminoácidos hidrofílicos por interacção com a água fazem com que as proteínas sejam solúveis.
Aminoácidos hidrofílicos
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Aminoácidos Hidrofóbicos
Os aminoácidos com cadeia lateral não polar são hidrofóbicos.
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55
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As proteínas existem numa variedade de formas e tamanhos
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Estrutura 1.ª Estrutura 2.ª
Estrutura 3.ª Estrutura 4.ª
As proteínas são macromoléculas constituídas por uma ou mais cadeias polipeptídicas e apresentam uma estrutura tridimensional definida. São moléculas com vários níveis de organização.
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Sequência de aminoácidos unidos por ligação peptídica
Estrutura primária
Estrutura secundária
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• a-hélice: ligação de H entre o H δ+ do grupo
• NH de um aminoácido e o O δ- do grupo C=O
• de outro aminoácido. As cadeias laterais
• voltam-se para o exterior da hélice
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60
Esquerda Direita – hélice α Sentido dos ponteiros do relógio Sentido contra os ponteiros do relógio
Nas proteínas o enrolamento da hélice é para a direita
Estrutura helicoidal
61
Conformação alongada em que os aminoácidos se dispõem numa estrutura em zig zag, estabilizada por pontes de Hidrogénio
Estrutura Secundária – folha β
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Estrutura terciária
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• A cadeia polipeptídica enrola-se sobre si própria;
• enrolamento é estabilizado por ligações de H e covalentes entre grupos SH (cisteínas)
Estrutura terciária
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64
• Enrolamento pode ser espontâneo ou
ajudado por outras proteínas (chaperones)
• • Resulta na conformação nativa (maior estabilidade)
Estrutura quaternária
65
• Duas ou mais cadeias polipeptídicas
combinam-se entre si para formar uma proteína
(cada cadeia corresponde a uma subunidade)
Hemoglobina (estrutura quaternária)
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66
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67
• Proteínas Fibrosas – mais associadas a suporte, forma e protecção
• Colagénio, elastina
• Proteínas globulares – associadas a enzimas e proteínas reguladoras
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Proteínas Fibrosas
Insolúveis nos solventes aquosos
Pesos moleculares muito elevados.
• Formadas geralmente por longas moléculas mais ou menos rectilíneas e paralelas ao eixo da fibra.
• Colagénio do tecido conjuntivo; queratinas dos cabelos; esclerotinas do tegumento dos artrópodes; conchiolina das conchas dos moluscos;, fribrina do soro sanguíneo; miosina dos músculos.
• Algumas proteínas fibrosas, possuem uma estrutura diferente, • como as tubulinas, que são formadas por múltiplas subunidades
globulares dispostas helicoidalmente.
69
Colagénio Tecido conjuntivo dos tendões , cartilagens, ossos
Gly – X – Pro ou Gly – X HyPro
Substituições de Gly por outros aa provocam doenças letais como Osteogenesis imperfecta e síndrome de Ehlers-Danlos
Hélice tripla com 3 aa por volta e enrolamento esquerdo, Coiled coil com 3 filamentos forma uma cadeia alfa (c)
Escorbuto Associado à falta Vit C que
afecta estabilidade do colagénio
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Fibroína da seda
Camadas de folhas β antiparalelas, ricas em Ala (roxo) e Gly (amarelo) Estabilizadas por pontes de hidrogénio e ligações de Van der Waals
Chaperones
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• Isolam a proteína do meio exterior para permitir o seu enrolamento
72
Cap
Chaperonin (fully assembled) Steps of Chaperonin
Action: An unfolded poly- peptide enters the cylinder from one end.
The cap attaches, causing the cylinder to change shape in such a way that it creates a hydrophilic environment for the folding of the polypeptide.
The cap comes off, and the properly folded protein is released.
Proteina enrolada correctamente Polipeptideo
2
1
3
73
Proteínas de Choque Térmico ou “ Chaperones”
A quantidade destas proteínas aumenta por exposição
das células a temperatura elevadas
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74
Moléculas Chaperones
• Auxiliam a formação das complexas moléculas proteicas e a destruição das proteínas defeituosas
• Não só minimizam a agregação errada das cadeias polipeptídicas, como desfazem as agregações defeituosas e promovem a eliminação, por hidrólise, das moléculas proteicas incorrectamente formadas.
• Muitas das tarefas das moléculas chaperones são realizadas com gasto de energia fornecida por ATP
• As principais chaperones são hsp60 e hsp70 (heat shock protein)
Outros níveis estruturais
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75
• Motivos: associações de diferentes estruturas secundárias que ocorrem
frequentemente (ex: β-α-β)
Outros níveis estruturais
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76
• Domínios: Unidades de estrutura terciária com enrolamento independente
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77
Muitas proteínas são formadas por domínios funcionalmente separados
A maioria das proteínas globulares consiste em vários domínios
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78
Domínios
Gliceraldeide fosfato desidrogenase: dois domínios funcionais
Estruturas compactas resultantes do arranjo tridimensional
das estruturas secundárias, geralmente associados a uma função.
São as unidades básicas da estrutura terciária.
Cada polipéptido pode conter um ou mais domínios
79
Proteínas globulares com únicos domínios
São mais ou menos esféricas.
São geralmente solúveis nos solventes aquosos
Pesos moleculares situam-se entre 10.000 e vários milhões.
Nesta categoria situam-se as proteínas activas como os enzimas,
transportadores como a hemoglobina, etc.
As proteínas podem se conjugar em formas complexas
Uma proteína com apenas um sitio de
ligação pode formar um dímero com outra
proteína idêntica
Proteínas idênticas com dois sítios de
ligação diferentes formarão um longo
filamento helicoidal
Se os dois sítios estiverem de ligação
estiverem dispostos apropriadamente, as
subunidades proteicas formarão um anel
fechado e não uma hélice. 80
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81
Algumas proteínas contêm outros grupos químicos para além dos aminoácidos
Proteínas Conjugadas
82
GLICOPROTEÍNAS
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83
Ubiquitina É um polipeptídio constituído por 76
aminoácidos
Presente nas células eucariotas.
• Marcação das proteínas para a degradação.
• As proteínas ubiquitinadas são degradadas a peptidos pelo proteossoma, que solta a cadeia de poliubiquitina, possivelmente ainda ligada a algum resíduo, até que alguma enzima desubiquitinase do citoplasma a processe e recicle.
84
Degradação Proteína via the ubiquitina
O proteossoma degrada proteínas de curta duração ou proteínas indesejáveis nas células eucarioticas"
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85
Amiloidoses
• Placas proteicas insolúveis acumuladas nos tecidos, resultantes da conformação anormal de certas proteínas.
Modelo estrutural da proteína amilóide. Aqui estão representadas 4 folhas paralelas.
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Amiloidoses
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87
Ribozimas
• A maioria das enzimas são proteínas, mas conhecem-se algumas que são constituídas por RNA.
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Desnaturação proteica
• Desnaturação: perda da conformação
nativa de uma proteína perda da função
• • A conformação de uma proteína depende das condições do meio
• – Temperatura
• – pH
• – Elevada concentração de compostos polares
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89
Diminuem a energia de activação das reacções, sem afectar o ΔG.
As enzimas posicionam os reagentes, facilitando a sua
conversão em produtos.
As enzimas permitem aumentar a velocidade da reacção
Mesmo na presença de enzimas, a velocidade atinge um valor
máximo, que se torna constante.
Actuação Enzimática
" vdeo 90
91
As enzimas catalizam as reacções químicas, aumentando a velocidade
de conversão dos substratos em produtos, sem se consumirem nesta
reacção.
Ocorre uma diminuição da concentração dos substratos
(reagentes), que são consumidos.
Pelo contrário, ocorre a produção de produtos a partir dos substratos.
As enzimas formam um complexo com os substratos, que deixa de existir no
final, quando a concentração de substratos é reduzida.
A concentração da enzima livre diminui, mas retoma aos valores
iniciais no final da reacção.
92
O centro activo da enzima apenas reconhece os
reagentes (substratos) específicos.
Ocorrem interacções entre os reagentes e o
centro activo da enzima.
Estas interacções permitem um
correcto posicionamento dos
reagentes que reagem, originando
os produtos.
Após a reacção, os produtos libertam-se e a enzima fica livre para reagir com mais
reagentes, não se gastando neste
processo.
93
Concentração enzimática
Concentração do substrato Temperatura pH Cofactores
Diversos factores afectam a actividade
enzimática
94
CONCENTRAÇÃO DA ENZIMA E DO SUBSTRATO
Com o aumento da concentração de substrato verifica-se um aumento da velocidade.
Para concentrações elevadas, todos os centro activos ficam saturados, com estabilização da velocidade máxima.
O aumento do teor de enzimas permite aumentar a velocidade de conversão dos produtos.
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95
Muitas enzimas necessitam de outros
compostos para actuarem
Orgânicos Apoenzima
Cofactores
Inorgânicos
96
Existem compostos que se ligam à enzima,
afectando a sua funcionalidade:
Naturais
Artificiais
Inibidores
Indutores
Inibição competitiva
O inibidor liga-se ao centro activo, competindo com o substrato, e diminuindo a actividade da enzima.
Inibição não competitiva
O inibidor liga-se numa região distinta do centro activo,
afectando-o, e diminuindo a actividade da enzima.
Indução
A ligação do indutor provoca modificações no centro
activo, permitindo a actuação enzimática.
97
Importância Biológica das Proteínas • Função estrutural: Fazem parte da estrutura de todos os constituintes
celulares.
Função hormonal: Muitas hormonas, tem constituição proteica.
• Função motora: são os componentes maioritários dos músculos (miosina, actina)
• Função enzimática: Actuam como biocatalisadores de quase todas as reacções químicas que ocorrem nos seres vivos
• Função imunológica (defesa): Algumas proteínas altamente especificas reconhecem e combinam-se com substâncias estranhas ao organismo, permitindo a sua neutralização.
• Função de reserva alimentar: Algumas proteínas funcionam como reserva, fornecendo aminoácidos ao organismo durante o seu desenvolvimento.
#
Centrifugação pode separar moléculas que diferem em massa ou densidade
98
99
Electroforese bidimensional separa moléculas de acordo com a carga e a massa
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100
Separação de proteínas através de tamanho: cromatogafia de filtração de gel
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101
Separação de proteínas através da carga: cromatografia de troca de iões
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102
Separação de proteínas ligando específico para outra molécula: cromatografia de afinidade
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103
Enzimas altamente específicas e ensaios de anticorpos podem descobrir proteínas individuais
104
Estrutura primária da proteína pode ser determinada através de métodos químicos e de sequencias de gene
Edman degradation!
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105
Espectrometria de massa mede a massa de proteínas e peptidos
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106
• Cristalografia raios X – É usada para determinar a estrutura tridimensional de uma
proteína X-ray diffraction pattern
Photographic film Diffracted X-rays
X-ray source
X-ray beam
Crystal Nucleic acid Protein
(a) X-ray diffraction pattern (b) 3D computer model
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• Carbohidratos
Característica estrutural: H-C-OH
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• Funções:
• Fonte de energia
• Formação de estruturas
• Componentes de outras moléculas
109
Monossacáridos
São os glícidos mais simples (3-7 átomos carbono)
As trioses são formadas no decurso da degradação metabólica das hexoses
As pentoses são constituintes dos ácidos nucleicos e de muitas coenzimas
As hexoses, glicose, galactose e frutose, tem grande importância fisiológica.
Monossacáridos Triose sugars
(C3H6O3) Pentose sugars
(C5H10O5) Hexose sugars
(C6H12O6)
H C OH H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
HO C H
HO C H
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH
H C OH H C OH
H C OH
C O C O
H C OH H C OH
H C OH HO C H
H C OH
C O
H
H
H
H H H
H
H H H H
H
H H
C C C COOOO
Ald
oses
Glyceraldehyde
Ribose Glucose Galactose
Dihydroxyacetone
Ribulose
Ket
oses
Fructose
Aldose, o átomo de carbono da função aldeído é o átomo número 1; Cetose, o átomo de carbono da função cetona tem o número mais baixo possível, mas nas cetoses que intervêm no metabolismo fundamental, é sempre o carbono 2.
111
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112
ISOMERIA
• Se observarmos a fórmula do gliceraldeído, podem existir duas configurações, dependendo da posição do oxidrilo do carbono assimétrico, se encontrar à direita (D de dextra) ou à esquerda (L de levogira).
• Estes isómeros, designados enantiómeros, possuem a característica de serem entre si como um objecto e a sua própria imagem num espelho.
• Por razões não esclarecidas, a grande maioria das oses que intervêm na composição e no metabolismo das células, pertencem às séries D.
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113
• Monossacarídeos com 5 ou 6 carbonos podem formar anéis
114
Ciclização • Os monossacarídeos, a partir da tetrose (na série das aldoses) e
da pentose (na série das cetoses) podem, em solução aquosa, sofrer uma ciclização e formar anéis de cinco (furanoses) ou de seis lados (piranoses). Esta ciclização ocorre por eliminação de uma molécula de água, entre o OH que ficou ligado ao carbono 1 das aldoses (ou carbono 2 das cetoses) e o OH ligado ao penúltimo ou
ao antepenúltimo da estrutura.
Ciclização de uma hexose (D-Glucose a)
piranose
furanose
115
• Monossacarideos – Pode ser linear – Pode formar anéis
H
H C OH
HO C H
H C OH
H C OH
H C
O
C
H
1
2
3
4
5
6
H
OH
4C
6CH2OH 6CH2OH
5C
H OH
C
H OH
H
2 C
1C
H
O
H
OH
4C
5C
3 C
H
H OH
OH
H
2C
1 C
OH
H
CH2OH
H
H
OH HO
H
OH
OH
H 5
3 2
4
(a) Linear and ring forms. Chemical equilibrium between the linear and ring structures greatly favors the formation of rings. To form the glucose ring, carbon 1 bonds to the oxygen attached to carbon 5.
OH 3
O H O O
6
1
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Monossacarídeos
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117
Glícidos
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118
Dissacarídeos
hidrossolúveis
hidrolisáveis
Alguns são redutores :
Maltose e lactose.
Sacarose – não redutora
Oligosacarídeos
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119
• Cadeias de 3-20 monosacarídeos ligados por ligações glicosídicas
120
Polissacarídeos ◊ insolúveis na água;
hidrolisáveis .
◊ Funções :
- Energética - amido, nas plantas
glicogénio, nos animais
- Reserva – amido e glicogénio
- Estrutural – celulose e quitina
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121
Mitochondria Giycogen granules
0.5 µm
(b) Glycogen: an animal polysaccharide
Glycogen
Figure 5.6
122
Celulose – homopolímero linear não ramificado, formado por associação de β-D-Glucose
Maior parte dos animais não degrada celulose porque não tem celulases.
A : disposição das moléculas de glucose, unidas por ligações glicosídicas
B: as moléculas de glucose assumem a configuração em cadeira e
estabelecem entre si pontes de hidrogénio
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123
• A celulose é difícil de digerir • As vacas tem micróbios nos seus estômagos para facilitar este
processo
Figure 5.9
124
Quitina • Quitina, um outro polissacarideo estrutural importante
– É encontrado no exosqueleto dos artrópodes – Pode ser usado como linha cirúrgica
(a) The structure of the chitin monomer.
O
CH2OH
OH H
H OH
H
NH
C
CH3
O
H
H
(b) (c)
OH
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125
Desoxiaçucares • São os açucares que contém o menor número de
átomos de oxigénio que de carbono. • Desoxirribose (DNA)
D-Glucose-6-fosfato
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126
127
Amino-Açucares (Hexosaminas)
• Açucares contém um grupo amina. • D-glucosamina é um constituinte do ácido hialurónico. • D-galactosamina (condrosamina) é um constituinte da condroitina. • D-manosamina é um constituinte da mucoproteína
The Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism Vol. 89, No. 10 5132-5137 Copyright © 2004 by The Endocrine Society
Role of Hexosamines in Insulin Resistance and Nutrient Sensing
in Human Adipose and Muscle Tissue Hexosamines, insulin resistance, and the complications of diabetes:
current status Am J Physiol Endocrinol Metab, January 1, 2006; 290(1): E1 - E8.
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128
GLICOSÍDEOS • Qualquer composto que contém uma molécula carbohidrato
(açúcar), no qual o grupo hidroxilo ligado ao primeiro carbono é substituído por um grupo alcoólico, fenólico ou outro.
• O nome é em relação ao açúcar contido, como: • glicosídeo (glicose), • pentosídeo (pentose), • frutosídeo (frutose) • Galactosideo (galactose), etc. • A hidrólise, de glicosídeos, forma um componente açúcar e um
componente não açúcar (aglicona). • Aglicona pode ser o álcool etílico, o glicerol, um esterol, um fenol,
etc.
129
Glicosaminoglicanos
Hialuronato
Sulfato-4 de condroitina
Sulfato de queratano
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130
Glicosaminoglicanos GAG Localization
Hyaluronate synovial fluid, vitreous humor, ECM of loose connective tissue
Chondroitin sulfate cartilage, bone, heart valves
Heparan sulfate basement membranes, components of cell surfaces
Heparin mast cells lining the arteries of the lungs, liver and skin
Dermatan sulfate skin, blood vessels, heart valves
Keratan sulfate cornea, bone, cartilage aggregated with chondroitin sulfates
Lípidos
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• Ácidos gordos, triglicéridos,
• fosfolípidos e esteróides
132
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133
Lípidos
• Insolúveis em água
• Solúveis em solventes orgânicos , como benzeno, éter e o clorofórmio
• Lligação: éster
• Por hidrólise, produzem ácidos gordos e outras substancias
• Função mista, isto é plásticos e energéticos.
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134
Lípidos de Reserva
O glicerol ou glicerina, é um álcool com 3 grupos (OH) capazes de estabelecer ligações covalentes com os átomos de carbono dos grupos COOH dos ácidos gordos . Ligação éster
Ácidos Gordos Saturados
• Tem o número máximo dos átomos de hidrogénio possíveis – Não tem ligações duplas
(a) Saturated fat and fatty acid
Stearic acid
Figure 5.12
A presença ou a ausência das ligações duplas faz a diferença
entre a margarina dura (saturada) e a mole (poliinsaturada).
136
• Ácidos Gordos Insaturados – Tem uma ou mais ligações duplas
(b) Unsaturated fat and fatty acid cis double bond causes bending
Oleic acid
Figure 5.12
Ácidos Gordos Poli-insaturados - Tem mais que 1 dupla ligação. O local da dupla ligação é rígido
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137
Lípidos Estruturais
• A sua estrutura resulta da ligação de uma molécula de glicerol com dois ácidos gordos e com uma molécula de ácido fosfórico.
• São moléculas anfipáticas.
Fosfolipidos
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138
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139
• Fosfolípidos: principais componentes das membranas biológicas
140
• Estrutura dos Fosfolípidos
Hydrophilic head
WATER
WATER Hydrophobic tail
Em ambiente aquoso, as caudas hidrofóbicas dos fosfolípidos
Compactam-se entre si, expulsando a água e formando uma
bicamada com a cabeça hidrofílica de cada fosfolípido voltada
para o ambiente aquoso.
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141
Lípidos Estruturais
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142
Lípidos com Função Reguladora Esteróis
São caracterizados por uma estrutura carbonada rígida de 4 anéis
Hormonas Sexuais: Testosterona, progesterona
O colesterol é predominante
nas membranas plasmáticas
das células animais, tendo por
função estabilizar a membrana
Esteróides
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143
O colesterol e as hormonas esteróides têm uma estrutura comum
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144
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145
Importância Biológica dos Lípidos
• Reserva energética – as gorduras constituem uma importante fonte de energia.
• Função estrutural – alguns lípidos, como os fosfolípidos e o colesterol, são constituintes de membranas celulares.
• Função protectora – gordura subcutânea
• Função vitamínica e hormonal – Vitaminas E e K; – Progesterona
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146
• Lipoproteínas (moléculas de transporte do sangue) • Glicoproteínas (estrutura membrana) • Glicolípidos (receptores membrana)
Combinação Biomoléculas
Ácidos nucleicos
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147
Ácidos nucleicos
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148
• Toda a informação que uma célula necessita durante a sua vida e a dos seus descendentes, está organizada em forma de código nas cadeias dos ácidos nucleicos
– Constituem o “armazém” e são os transmissores de informação nos seres vivos.
• Esta informação traduzida em proteínas permite que a célula execute todo o trabalho necessário à sobrevivência de um organismo.
• Existem dois tipos de ácidos nucleicos – Ácido desoxirribonucleico ou DNA e ácido ribonucleico ou RNA – Ambos são polímeros lineares de nucleotidios conectados entre si
via ligações covalentes denominadas ligações fosfodiéster
Diferenças entre DNA e RNA
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149
• DNA
• Informação genética
• Moléculas grandes
• Contem desoxiribose
• Contem timina
• Cadeia dupla
• RNA
• Expressão da informação
• genética (síntese proteica)
• Moléculas mais pequenas
• Contem ribose
• Contem uracilo
• Cadeia simples
150
DNA Base Nucleosido1 Nucleotido2
Purinas
• Adenina Desoxiadenosine dAMP
• Guanina Desoxiguanosina dGMP
Pirimidinas
• Citosina Desoxicitidina dCMP
• Timina Timidina dTMP
1base + açucar 2base + açucar + fosfato Biologia Celular Molecular
2010-11
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RNA Base Nucleosido1 Nucleotido2
Purinas
• Adenina Adenosina AMP
• Guanina Guanosina GMP
Pirimidinas
• Citosina Citidina CMP
• Uracilo Uridina UMP
1base + açucar 2base + açucar + fosfato
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152
• Estrutura de um nucleótido
• RNA • DNA
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• Bases azotadas
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154
• Nucleosídeos: base + pentose
• (adenosina, uridina, guanidina, citidina
• ou
• (desoxiadenosina, desoxitimidina, …)
• Nucleótidos: nucleosídeos fosfatados
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Biologia Celular Molecular 2010-11
156
Estrutura dos ácidos nucleicos
• DNA e o RNA partilham muitas semelhanças químicas, uma vez que ambos são polímeros de nucleótidos:
• há 4 tipos de nucleótidos, todos possuindo uma estrutura típica em comum:
• grupo fosfato
• pentose
• base azotada
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157
•
• as diferenças entre estas duas moléculas (DNA e RNA) reside na composição de:
• pentose:
• ribose – RNA
• desoxirribose – DNA
• bases azotadas:
• adenina (A), citosina (C) e guanina (G) – comuns DNA e RNA
• timina (T) – exclusiva do DNA
• uracilo (U) – exclusiva do RNA (em substitição da T)
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158
• As bases azotadas agrupam-se em:
• pirimidinas (C, T e U) – 1 anel
• purinas (A e G) – 2 aneis
• Os nucleótidos polimerizam para originar os ácidos nucleicos através de ligações fosfodiéster:
• estabelecem-se entre o grupo hidroxilo
(C3) de um nucleótido e o grupo fosfato
(C5) do nucleótido seguinte, na
orientação 5’→3’
159
• o RNA existe na forma de cadeia simples, enquanto que o DNA existe na forma de cadeia dupla
• consiste na associação de duas cadeias polinucleotídicas que se enrolam no espaço para originar uma hélice dupla:
• os açúcares ficam projectados para o exterior
• as bases projectam para o interior
160
• a orientação destas cadeias é antiparalela – as direcções 5’→3’ são opostas:
• as duas cadeias mantêm-se unidas através de pontes de hidrogénio (PH) que se estabelecem entre as bases azotadas:
• A emparelha com T através de 2 PH
• G emparelha com C através de 3 PH
• trata-se do fenómeno de complementariedade
• permite manter a estrutura do DNA
• é importante para os processos de transcrição (síntese proteica) e replicação do DNA (divisão celular)
161
Modelo de Watson e Crick
1953 dados químicos de Chargaff; difracção de raios X de Rosalind Franklin .
Prémio Nobel 1962
duas cadeias nucleotídicas dupla hélica
cadeias antiparalelas estrutura fosfato-açúcar-fosfato : exterior da hélice bases: interior da hélice, plano perpendicular à hélice
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162
O DNA é o responsável pelo armazenamento e transmissão da informação genética
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163
interacções hidrofóbicas e de van der Waals entre bases empilhadas
ligações de hidrogénio entre bases complementares
complementaridade de bases: purina–pirimidina, A e T, G e C
complementaridade das cadeias
Modelo de Watson e Crick
espaços adjacentes entre voltas da hélice: depressão maior e menor.
164
Modelos para as várias estruturas de DNA conhecidas
A forma B do DNA tem ≈ 10.5 pares de bases por volta A forma A é a mais compacta, tem 11 pares de bases por volta A forma Z é uma hélice dupla que enrola para a esquerda, 12 pares de bases por volta
Nota: O DNA pode também existir na forma de hélice tripla.
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165
Outras características do DNA dos eucariotas
• Existência de famílias de genes.
• Existência de grandes extensões de DNA que não codificam proteínas.
• Existência de sequencias repetitivas.
• Estas características contribuem para o aumento da quantidade de DNA sem que haja aumento da quantidade de genes (podem não passar de 3% do total do DNA).
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166
Estrutura do DNA de Eucariotas
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167
Estrutura do DNA de Eucariotas
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168
Histonas
Modelo solenóide de uma fibra de cromatina com 30 nm de diâmetro
Nucleossoma
O estudo estrutural detalhado mostra que cada nucleossoma é composto por um esqueleto central proteico, constituído pelo octâmero de histonas 2x (H2A, H2B, H3 e H4) em torno do qual o DNA se enrola duas vezes.
Este duplo enrolamento é estabilizado por outra histona (H1).
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169
Estrutura do DNA
DNA circular super enrolado
• mitocondrial, viral, bacteriano (super enrolamento negativo)
DNA eucariótico linear super enrolado
• compactação do DNA dos cromossomas no núcleo • pressão do sobre enrolamento facilita a separação das cadeias na transcrição e replicação (topoisomerases)
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170
DNA mitocondrial humano
DNA mitocondrial mais pequeno (16kbp) Codifica 2 rRNAs, 22 tRNAs usados na tradução do mRNA Tem 13 sequências que começam com o codão ATG Não possui intrões
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171
Características estruturais do DNA
DNA super enrolado: mais compacto, ocupa menos volume, migra ou sedimenta mais rapidamente
Relaxado
Superenrolado
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172
Nucleotides, DNA, and RNA
Figure 2-18: RNA and DNA
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173 A dimensão do genoma não corresponde a complexidade do organismo
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174
• um gene eucariótico é composto por fragmentos codificantes de proteínas que estão descontínuos – exões
• estes fragmentos, separados pelos intrões, têm de ser associados após a transcrição de modo a originar o mRNA que transportará a informação neles contida para os ribos-somas, onde ocorrerá a síntese proteica
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175
Genes
• Um gene é uma sequencia de nucleótidos do DNA que pode ser transcrita de modo a dar um produto final.
• Este produto pode ser RNA (rRNA ou tRNA) ou um polipéptido
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176
O dogma central da biologia molecular
Filme
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mRNA
Transcrição
Dogma Central
Célula
Polipeptido (proteína)
Tradução Ribossoma
Tanscrição Reverse DNA
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178
DNA
Citoplasma
Núcleo
Transcrição Eucariotas
Exportação G AAAAAA
RNA
Transcrição
Poros Nucleares
G AAAAAA
RNA Processing
mRNA
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Estrutura típica do RNA, Right handed
Bases – branco Fosfato – amarelo Riboses - verde
O RNA transfere a informação genética do DNA para as proteínas
RNA
180
• RNA mensageiro (mRNA): cadeia simples
• Sintetizado a partir de DNA, serve de molde para a síntese da cadeia polipeptídica
• RNA de transferência (tRNA)
• Transporta os aminoácidos para o complexo mRNA-ribossoma (anti-codão complementar ao codão)
• RNA ribossomal (rRNA)
• Entra na constituição dos ribossomas
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RNA cadeia simples de ribonucleótidos
Tipos de RNA:
mRNA (≈ 5%): transporta a informação genética do DNA até aos ribossomas onde ocorre a tradução.
rRNA (≈ 85%): associado a proteínas entra na constituição dos ribossomas
tRNA (≈10%): transporta os aminoácidos; assegura a sua correcta inserção de acordo com o código genético do mRNA.
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Estruturas secundárias do RNA
183
D Arm - Contains dihydrouridine
Acceptor Arm - A specific amino acid is attached to the 3’ end
TψC arm - ψ stands for pseudouridine
Extra Arm - May vary in size
Anticodon
Transfer RNA (tRNA)
U* 9
26 22 23 Pu
16 12 Py 10
25 20:1
G* 17:1
Pu
A 20:2
17 13
20 G
A 50 51
65 64 63 G
62 52 C Pu
59
ψ
A*
C
Py
T 49
39
41 42
31
29 28
Pu*
43 1 27
U 35
38
36
Py*
34
40 30 47:1
47:15
46
Py 47:16
45 44
47
73 C C A
70 71 72
66 67 68 69
3 2 1
7 6 5 4
Amino Acid attachment site
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• rRNA
• As moléculas de RNA podem
• conter regiões de cadeia dupla
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FIM
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