Bioinformatica: recopilaci

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Que es Bioinformática/ Biología Computacional?

• Bioinformatica recopilación y almacenamiento de
  información biológica
• (AND/ARN) proteina
• Biología computacional El desarrollo de
  algoritmos y métodos estadísticos para el
  análisis de datos biológicos.
• Aunque en concepto son diferentes, los términos
  Bioinformática y Biología computacional se usan
  indistintamente.

2
Que es Bioinformática/ Biología Computacional?
Source http//ccb.wustl.edu/
3
Que es diferente en BC?

• No se busca la solución exacta sino la
  biológicamente relevante
• No interesan los mínimos globales porque la
  función de costo es heurísitca y puede tener
  mínimos irrelevantes.
• Se introduce la noción designificado biológico
  de una solución óptima o quasi-óptima desde
  elpunto de vista matemático
• La definición del problema es imprecisa (entre
  otras cosas por falta de conocimiento)

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Que es diferente en BC?

• Es prioritario analizar conjuntos de soluciones
  quasi-óptimas, en lugar de únicamente la óptima.
• La validación experimental de los algoritmos
  tiene precedencia sobre el análisis matemático.
• La definición del modelo es la parte mas
  relevante de la resolución del problema.
• Bioinformática / Biología Computación

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Porqué está de actualidad la BC?

• Oferta/Demanda Hay muy poca gente con una
  formación adecuada en biología e informática
• Los proyectos de secuenciación genómica, análisis
  en microchips (microarrays), proteómica,
  metabolómica, etc. estan produciendo enormes
  cantidades de datos que tienen que ser
  analizados.
• Ahorra gran cantidad de tiempo y dinero

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Un poco de Historia
Evolution
Charles Darwin (1807-1882)
Genetics
Gregor Mendel (1822-1884)
Discovery of nuclein Friedrich Miescher
(1844-1895) DNA is the genetic material
Hershey-Chase Molecular structure of DNA
Chargaff, 1962 Nobel Prize James Watson,
Francis Crick Recombinant DNA, DNA sequencing
1980 Nobel Prize Walter Gilbert, Frederick
Sanger, Paul Berg Amplification of DNA (PCR)
Kary Mullis others, 1993 Nobel Prize
1869 1952 1953 1970 1983
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Un poco de Historia
H. influenzae 1.8 Mbp (1995) S.
cerevisiae 12 Mbp (1997) C. elegans 100
Mbp (1998) Drosophila 180 Mbp (2000) H.
sapiens 3200 Mbp (2001)
Overview TIGR (The institute of genomic
research) http//www.tigr.org/tdb/mdb/mdbcomplete
.html http//www.tigr.org/tdb/mdb/mdbinprogress.ht
ml
8
Un poco de Historia
Number of Entries in EMBL DatabaseJune 2002
23.860.228.282 Bases 17.807.526 Entries
Source HUSAR
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Un poco de Historia
15 February 2001
Secuenciacion completa del genoma humano
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Comparación de genomas
11
La complejidad del genoma NO se correlaciona con
el número cromosomas
46
12
La complejidad del genoma NO se correlaciona con
su tamaño
13
La complejidad del genoma NO se correlaciona con
el número de genes

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Comparación con genomas mas cercanos
CHIMP GENOME Chimpanzees are similar to humans
in so many ways they are socially complex,
sensitive and communicative, and yet indisputably
on the animal side of the man/beast divide.
Scientists have now sequenced the genetic code of
our closest living relative, showing the striking
concordances and divergences between the two
species, and perhaps holding up a mirror to our
own humanity.
15
From Olson and Varki (2002) Nat Rev Gen 4 20-28
Humanos vs Primates
Homo sapiens y Pan troglodytes (Orangutan) ?
99.0 identical
Humans are not at all original in comparison
with other vertebrates.
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Dogma Central de la Biología Molecular
The central dogma states that once information
has passed into protein, it cannot get out again.
The transfer of information from nucleic acid to
nucleic acid, or from nucleic acid to protein may
be possible, but transfer from protein to
protein, or from protein to nucleic acid, is
impossible. Information means here the precise
determination of sequence, either of bases in the
nucleic acid or of amino acid residues in the
protein.
Francis Crick, 1958
1 Transcription 2 RNA processing
(splicing) 3 RNA export 4 RNA surveillance
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Los límites
Gen
Proteina
Función

• El dogma
• No se puede aplicar a todas las funciones
  biológicas.
• Los procesos celulares implican una gran
  cantidad
• de productos genicos asi como interacciones
  entre ellos.
• Los procesos celulares son complejos
• y multidimensionales.
• Condiciones que llaman la atención sobre la
• necesidad de hacer otro tipo de
  investigación.
• ahi es donde entra en juego la
  bioinformatica.

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Biología Molecular un resumen

• Células
• ADN (DNA)
• ARN (RNA)
• Amino Acidos (AA)
• Proteinas

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Biología Molecular Células

• Sistema complejo envuelto en una membrana
• Los organismos pueden ser unicelulares (bacteria,
  levadura) o multicelulares
• Humanos
• 60 trillion células
• 320 tipos de células

Célula Animal www.ebi.ac.uk/microarray/
biology_intro.htm
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Biología Molecular Procariotas Vs Eucariotas

• Eucariotas tienen una membrana nuclear y
  orgánulos (plantas, animales, hongos,)

• Procariotas no tienen una membrana
• Que separe núcleo y orgánulos (bacteria)

• NO todos los organismos unicelulares son
  procariotas (levadura)

BIOS Scientific Publishers Ltd, 1999
21
GCCACATGTAGATAATTGAAACTGGATCCTCATCCCTCGCCTTGTACAA
AAATCAACTCCAGATGGATCTAAGATTTAAATCTAACACCTGAAACCATA
AAAATTCTAGGAGATAACACTGGCAAAGCTATTCTAGACATTGGCTTAGG
CAAAGAGTTCGTGACCAAGAACCCAAAAGCAAATGCAACAAAAACAAAAA
TAAATAGGTGGGACCTGATTAAACTGAAAAGCCTCTGCACAGCAAAAGAA
ATAATCAGCAGAGTAAACAGACAACCCACAGAATGAGAGAAAATATTTGC
AAACCATGCATCTGATGACAAAGGACTAATATCCAGAATCTACAAGGAAC
TCAAACAAATCAGCAAGAAAAAAATAACCCCATCAAAAAGTGGGCAAAGG
AATGAATAGACAATTCTCAAAATATACAAATGGCCAATAAACATACGAAA
AACTGTTCAACATCACTAATTATCAGGGAAATGCAAATTAAAACCACAAT
GAGATGCCACCTTACTCCTGCAAGAATGGCCATAATAAAAAAAAATCAAA
AAAGAATAAATGTTGGTGTGAATGTGGTGAAAAGAGAACACTTTGACACT
GCTGGTGGGAATGGAAACTAGTACAACCACTGTGGAAAACAGTACCGAGA
TTTCTTAAAGAACTACAAGTAGAACTACCATTTGATCCAGCAATCCCACT
ACTGGGTATCTACCCAGAGGAAAAGAAGTCATTATTTGAAAAAGACACTT
GTACATACATGTTTATAGCAGCACAATTTGCAATTGCAAAGATATGGAAC
CAGTCTAAATGCCCATCAACCAACAAATGGATAAAGAAAATATGGTATAT
ATACACCATGGAACACTACTCAGCCATAAAAAGGAACAAAATAATGGCAA
CTCACAGATGGAGTTGGAGACCACTATTCTAAGTGAAATAACTCAGGAAT
GGAAAACCAAATATTGTATGTTCTCACTTATAAGTGGGAGCTAAGCTATG
AGGACAAAAGGCATAAGAATTATACTATGGACTTTGGGGACTCGGGGGAA
AGGGTGGGAGGGGGATGAGGGACAAAAGACTACACATTGGGTGCAGTGTA
CACTGCTGAGGTGATGGGTGCACCAAAATCTCAGAAATTACCACTAAAGA
ACTTATCCATGTAACTAAAAACCACCTCTACCCAAATAATTTTGAAATAA
AAAATAAAAATATTTTAAAAAGAACTCTTTAAAATAAATAATGAAAAGCA
CCAACAGACTTATGAACAGGCAATAGAAAAAATGAGAAATAGAAAGGAAT
ACAAATAAAAGTACAGAAAAAAAATATGGCAAGTTATTCAACCAAACTGG
TAATTTGAAATCCAGATTGAAATAATGCAAAAAAAAGGCAATTTCTGGCA
CCATGGCAGACCAGGTACCTGGATGATCTGTTGCTGAAAACAACTGAAAA
TGCTGGTTAAAATATATTAACACATTCTTGAATACAGTCATGGCCAAAGG
AAGTCACATGACTAAGCCCACAGTCAAGGAGTGAGAAAGTATTCTCTACC
TACCATGAGGCCAGGGCAAGGGTGTGCACTTTTTTTTTTCTTCTGTTCAT
TGAATACAGTCACTGTGTATTTTACATACTTTCATTTAGTCTTATGACAA
TCCTATGAAACAAGTACTTTTAAAAAAATTGAGATAACAGTTGCATACCG
TGAAATTCATCCATTTAAAGTGAGCAATTCACAGGTGCAGCTAGCTCAGT
CAGCAGAGCATAAGACTCTTAAAGTGAACAATTCAGTGCTTTTTAGTATA
TTCACAGAGTTGTGCAACCATCACCACTATCTAATTGGTCTTAGTCTGTT
TGGGCTGCCATAACAAAATACCACAAACTGGATAGCTCATAAACAACAGG
CATTTATTGCTCACAGTTCTAGAGGCTGGAAGTGCAAGATTAAGATGCCA
GCAGATTCTGTGTCTGCTGAGG
Que es el ADN?
Es un alfabeto de 4 caracteres
Este alfabeto de 4 caracteres contiene suficiente
información para crear organismos complejos,
mediante el uso de largas palabras
Similitud con el codigo binario
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Que es el ADN?

• DNA Deoxyribonucleic Acid (ácido
  dexosiribonucleíco)
• 4 nucleotidos
• Adenosina (A)
• Citosina (C)
• Guanina (G)
• Timina (T)

Image source www.biotec.or.th/Genome/whatGenome.h
tml
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Acidos nucleicos
El bloque básico necesario es

• Bases nitrogenadas
• Purinas (A and G)
• Pirimidinas (C and T)
• Un azúcar (deoxiribosa)
• Un fosfato

Image Source www.ebi.ac.uk/microarray/
biology_intro.htm
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Polinucleótidos de ADN

• Los cuatro nucleótidos pueden unirse mediante
  fosfatos para formar cadenas de nucleótidos
• Los finales de la hebra son distintos
• Hay direccionalidad en la hebra de ADN
• Por convencion se marca la hebra codificante como
  5 to 3

http//www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/
BioBookDNAMOLGEN.html
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Doble hebra de ADN
El ADN en realidad está formado por dos cadenas
Las cadenas avanzan en sentido opuesto y que
están ligadas por enlaces complementarios de
bases nitrogenadas A, T, G y C
Eso significa que la segunda cadena es reversa y
complementaria
La doble hélice tiene siempre una
anchura constante porque las purinas se
enfrentan siempre a las pirimidinas.
26
Doble hélice

• La doble hélice es la estructura más estable del
  ADN.

5 G?T?A?A?A?G?T?C?C?C?G?T?T?A?G?C 3


3 C?A?T?T?T?C?A?G?G?G?C?A?A?T?C?G 5
Image source www.ebi.ac.uk/microarray/
biology_intro.htm
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Acido Ribonucléico ARN

• Similar al ADN, el bloque consta de
• Bases nitrogenadas A, C, G.
• La Timina (T) se reemplaza
• por un Uracilo (U)
• Un azúcar, en este caso una Ribosa
• Un fosfato

• RNA can be
• Hebra simple
• Hebra doble
• Hebra hibrida AND-AR

El RNA puede formar estructuras terciarias
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Tipos de ARN

• ARN mensajero (mRNA)
• Contiene la información para construir una
  proteina.
• ARN ribosomal (rRNA)
• Componente mayoritario de los ribosomas
• ARN transferente (tRNA)
• Encargado de llevar los amino acidos a los
  ribosomas para la síntesis de proteinas

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ARN mensajero

• Molécula linear que contiene información genética
  copiada del AND. Tiene regiones codificadoras y
  regiones no codificadoras como la cabeza o líder
  y la cola.
• Los mensajeros de eucariotas tienen un cap o
  gorra en el extremo 5 y una cola polyA en el
  extremo 3.
• Transcription es el proceso por el cual una
  molécula de AND es copiada a una de ARN.

Dirección de la transcipción
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ARN transferente
Juega un papel crítico en la sintesis de
proteinas llevando aa al ribosoma
Tienen una estructura tridimensional muy bien
definida
Amino ácido
Anti codon
ARNm
5 GTAAAGTCCCTTTAGC 3

• Doble papel
• adaptador que reconoce al amino ácido
• en el extremo 3
• El anticodón se empareja con el codón en el ARNm

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ARN ribosomal
Componente mayoritario de los ribosomas
Los ribosomas llevan a cabo la síntesis de
proteínas asociándose con los diferentes ARNm que
proporcionan la secuencia de codificación real y
los ARNt que les proporcionan los aa
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Código genético

• 4 nucleótidos posibles (A, C, G, U)
• Un codón tiene 3 bases
• 4 4 4 64 codones posibles
• Codón de inicio AUG
• Codón de parada o Stop UAA, UAG, UGA
• 61 codones codifican amino ácidos (AUG también
  Metionina)
• Solo existen 20 amino acidos redundancia del
  código genetico code

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Código genético es Universal

• Todos los organismos usan el mismo código
  genético
• Un amino ácido esta codificado por 3 nucleótidos
  Código genético

• 4 nucleótidos posibles (A, C, G, U)
• Un codón tiene 3 bases
• 4 4 4 64 codones posibles
• Codón de inicio AUG
• Codón de parada o Stop UAA, UAG, UGA
• 61 codones codifican amino ácidos (AUG también
  Metionina)

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Redundancia del Código genético

• Solo existen 20 amino acidos pero 64 codones
  posibles

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Amino ácidos

• Elementos constitutivos de las proteinas (20
  different)
• Tienen un grupo radical variable que los
  caracteriza

• Los amino ácidos tienen diferentes
  características bioquímicas y
• físicas, las cuales determinan su capacidad de
  ser reemplazados en
• la evolución.

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Código genético
Los ARNm se pueden leer en tres diferentes marcos
de lectura, pero solo uno de ellos codifica la
proteína correcta
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Proteínas
Los aa se unen mediante enlaces peptídicos entre
el grupo carboxilo terminal de un aa y el grupo
amino de otro.
Péptido Cadena corta de aa (lt 30) Polipéptido
cadena larga de aa (hasta 4000 residuos).
La secuencia de aa, su tipo y orden constituyen
la Estructura primaria de la proteína
Tyr
Gly
Gly
Phe
Leu
Val
Ser
Residuo carboxilo terminal
Residuo amino terminal
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Proteínas
Estructura secundaria producto del
establecimiento de puentes de hidrógeno entre
distintos átomos de los aa
Helices alfa enrrollamiento espiral p.ejem
proteinas fibrosas como piel y uñas
Cada hélice tiene 3,6 aa por vuelta
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Proteínas
Estructura secundaria producto del
establecimiento de puentes de hidrógeno entre
distintos átomos de los aa
Beta plegada estructura en zig-zag resistente y
flexible p.ejem fibroína (proteína de la seda)
Dos o mas polipéptidos se situan de forma
paralela entre ellos y se unen mediante puentes
de hidrógeno. Estos puentes de hidrógeno se
establecen entre diferentes segmentos del
polipétido a diferencia con las alfa hélices
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Proteínas
Estructura terciaria Es la forma global de cada
proteína. Depende de las interacciones entre los
grupos radicales de la misma cadena polipetídica
ocasionada por puentes de hidrógeno, atración
iónica, condición hidrofóbica o hidrofílica y
puentes disulfuro.
Figure shows the tertiary structure of Chain B
of Protein Kinase C Interacting Protein
Péptido individual doblado
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Proteínas
Estructura cuaternaria Es propia de las
proteínas globulares y es la conformación
tridimensional de la unión de dos o más cademas
polipeptídicas, generadas por las mismas
interacciones anteriormente citadas.
Agregado de dos o más péptidos
Figure shows the tertiary structure of Chain B
of Protein Kinase C Interacting Protein
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Volvemos al principio El dogma central
ADN
Trascripción
ARN
Translación
Proteína
Traducción