(BIOLOGIA MOLECULAR)
1. Dogma da Biologia Molecular
Genes são pequenas partículas presentes nos organismos vivos e são constituídos de um segmento de uma molécula de DNA; as células expressam as informações genéticas que são determinadas pelos seus genes através da transcrição (síntese do mRNA a partir do DNA) e da tradução (síntese de proteína através do mRNA). Uma célula pode regular a expressão de cada um de seus genes de acordo com as necessidades do seu metabolismo e funcionamento (Figura 1).
Para que a célula realize a leitura da informação genética desejada, ela sintetiza uma cópia do DNA onde localizam-se os genes que ela necessita, sob forma de uma sequência de nucleotídeos de RNA. Embora copiada em uma estrutura química distinta, a informação obtida através do RNA ainda é escrita essencialmente na mesma linguagem do DNA(linguagem de uma sequência de nucleotídeos), sendo um processo denominado transcrição.
A informação presente na sequência de nucleotídeos resultando da transcrição é usada para sintetizar uma proteína e esse processo é chamado de tradução. Como indica o termo tradução, é como se uma mensagem manuscrita fosse convertida para um texto datilografado. A própria linguagem e a forma da mensagem não mudam, e os símbolos utilizados são similares. A sequência de nucleotídeos de um gene é traduzida em uma sequência de aminoácidos de uma proteína, por meio da aplicação de regras que são conhecidas como código genético, descrito no início dos anos de 1960 por Marshall Nirenberg e colaboradores.
2. Estrutura dos ácidos nucleicos
2.1 DNA
O ácido desoxirribonucleico (DNA) é uma molécula informacional que contém na sequência, nucleotídeos com informações requeridas para produzir todas as proteínas de um organismo, e consequentemente das células e dos tecidos desse organismo. Cada nucleotídeo é composto pela união de três moléculas: um açúcar pentose (com 5 carbonos), um grupo fosfato e uma base nitrogenada. O açúcar no DNA é a desoxirribose. Quimicamente, a molécula de DNA é estável em diversas condições terrestres, e isto pode ser exemplificado pela habilidade da recuperação das sequências de DNA a partir de ossos e tecidos que possuem dezenas de milhares de anos.
O DNA consiste em duas cadeias polinucleotídicas associadas que formam uma dupla hélice em espiral com giro para a direita. Um grupo fosfato liga o átomo de carbono 5’ do açúcar ao carbono 3’ do resíduo de açúcar seguinte, formando um suporte (“esqueleto”).O suporte formado por dois açúcares-fosfatos encontram-se no lado exterior da dupla hélice e as bases nitrogenadas projetam-se para o interior. A orientação das duas cadeias é antiparalela, isto é, as direções 5’ 3’ são opostas. As cadeias são mantidas em uma formação precisa dos pares de bases nitrogenadas entre os dois grupamentos: A (adenina) pareia com T (timina) através de duas ligações de hidrogênio e G (guanina) é pareada com C (citosina) por meio de três ligações de hidrogênio. Essa complementariedade de pares de bases ocorre em consequência do tamanho, formato e composição química de cada uma delas. A presença de diversas ligações de hidrogênio na molécula de DNA contribui para a estabilidade da dupla hélice (Figura 2).
O DNA determina todas as funções necessárias para o desenvolvimento de um organismo, e a sua replicação ocorre de forma precisa, o que garante a capacidade de transmitir a informação genética para as próximas gerações (Figura 3).
2.2 RNA
A estrutura primária do RNA é similar ao DNA, sendo um ácido nucleico composto por uma cadeia polinucleotídica. Entretanto, o RNA é geralmente uma cadeia de nucleotídeos unifilamentar (uma cadeia ou de fita única), sendo mais flexível e podendo formar uma maior variedade de conformações moleculares do que o DNA bifilamentar (duas cadeias ou de fita dupla), podendo dobrar-se na forma de uma alça (suas próprias bases podem fazer par com outras).Enquanto o açúcar do DNA é a desoxirribose, o açúcar do RNA é a ribose, outra diferença é em relação a uma das bases nitrogenadas: a timina no DNA é substituída por uracila (U), no RNA.Diversos tipos de RNAs podem ser produzidos pela transcrição e as diferenças em tamanhos e conformações dos tipos de RNA possibilitam diversas funções específicas deles na célula. Entre as principais classes de RNA encontram-se o RNA mensageiro (mRNA), o transportador (tRNA) e o ribossomal (rRNA).
RNA mensageiro (mRNA):Molécula de RNA que serve como intermediário entre um gene e seu produto final de expressão.Carrega uma cópia da sequência de DNA a ser utilizada para o processo de síntese, e cada trinca de nucleotídeos na região codificadora corresponde a um aminoácido da proteína a ser produzida, além disso, é considerada uma molécula mais instável que o tRNA e rRNA;
RNA transportador (tRNA): Pequenos RNAs, conhecidos como moléculas que desempenham a leitura da sequência de nucleotídeos do transcrito de mRNA e a convertem em sequência de aminoácidos, sendo assim, transportam os aminoácidos correspondentes a cada códon do mRNA no processo de tradução;
RNA ribossomal (rRNA):São moléculas constituintes dos ribossomos, grandes estruturas multimolecularesque orientam a montagem da cadeia de aminoácidos juntamente com o mRNA e tRNA.
Small RNA (snRNA): Responsável pela remoção dos íntrons, e pelo Splicing, forma os spliceossomas que controlam o splicing de pré-mRNA para produzir mRNA.
Micro RNA (miRNA): Envolvido na regulação da expressão gênica através da clivagem de um mRNA alvo ou da repressão da tradução; “emparelhamento imperfeito”.
RNA de interferência (siRNA): Pode inibir a expressão de um gene direcionando sequências específicas de mRNA para degradação de ribonucleases; “emparelhamento perfeito”.
Small nucleolar RNA (snoRNA): É uma pequena molécula de RNA, que está envolvida na modificação do rRNA no nucléolo, e pode modificar as bases de outras moléculas de RNA.
Small Temporal RNA (stRNA): É um RNA temporário, regula negativamente a expressão de RNAs.
3. Estrutura de Genes e Genomas Procarióticos
3.1 Estrutura dos Genes Procarióticos
Todas as moléculas de DNA tem regiões em sua extensão e apresentam sequências nucleotídicas responsáveis pela expressão de um gene. Para essa sequência ser expressa, os genes devem estar dispostos nas seguintes regiões (Figura 4):
Regiões codificadoras (local onde estão presentes os genes a serem transcritos);
Regiões reguladoras (ladeando as sequências codificadoras, sendo caracterizada por sequências de nucleotídeos que irão ativar ou inibir a expressão gênica, também determina o fim de uma transcrição);
Promotor (se encontra próximo a terminação 5’ da região codificadora, e juntamente com outros sítios de ligação de proteínas dão o início ao processo de transcrição).
3.2 Genomas Procarióticos
Os organismos procariotos representados pelas bactérias e arqueas, apresentam um genoma geralmente estruturado em um único cromossomo de formato circular, podendo existir organismos com o DNA na forma linear, porém são a minoria. Há também, espécies que apresentam mais de uma molécula de DNA. Sendo assim, as moléculas extensas e que apresentam genes importantes são chamadas de cromossomos. Já as moléculas menores e com um número menor de genes essenciais são chamados de plasmídeos. Outra característica dos genomas procariotos é que eles apresentam replicons, que são unidades de replicação do DNA, porém a maioria dos indivíduos apresentam apenas um replicon por genoma.
4.Estrutura de Genes e Genomas Eucarióticos
4.1 Estrutura de Genes Eucarióticos
Os conceitos sobre a estrutura dos genes utilizados para os indivíduos procarióticos também é válido para seres eucarióticos, porém, estes apresentam estruturas mais complexas, principalmente nas regiões codificadoras e reguladoras. Outra diferença é a presença de íntrons, sequências que não serão codificadas/traduzidas, intercalando com éxons, sequências que serão codificadas/traduzidas. Outra diferença entre éxons e íntrons é o tamanho, sendo esse último muito maior e extenso. Os íntrons são transcritos, entretanto não são traduzidos, sendo eliminados no processamento de RNA (Figura 5).
4.2 Genomas Eucarióticos
Os genomas eucarióticos, são maiores quando comparados com organismos procarióticos, porém, há algumas exceções, variando de espécie para espécie. Como os indivíduos eucarióticos apresentam organelas, há dois tipos de genomas, o nuclear, e os extranucleares.
Os genomas nucleares estão presente dentro do núcleo celular e são organizados em forma cromossômica, sendo cada cromossomo composto por uma única molécula de DNA em sua forma linear. A quantidade de cromossomos varia de acordo com a espécie. Já os genomas extranucleares são encontrados em organelas como as mitocôndriase plastídios, apresentando um único DNA circular. Os genes presentes neste DNA estão relacionados com funções específicas destas organelas.
5. A Replicação do DNA
A replicação é o processo em que o material genético das células, o DNA, é duplicado para que possa ser passado da célula mãe para a célula filha no final da divisão celular.
A vida das células que se dividem passa por duas etapas que se alteram ciclicamente, conhecidas como intérfase e mitose. A intérfase se subdivide em três fases chamadas G1, S e G2, onde na fase G1 ocorrem diversas atividades da célula, tais como: secreção, condução, condensação, etc. É seguida pela fase S, onde ocorre a replicação do DNA, e fase G2, que é uma transição que se estende até o início da fase correspondente a mitose, a fase M, ao final da qual as moléculas de DNA duplicadas são segregadas nas células-filhas.
Desde o término da fase S até que sejam segregados na mitose, as moléculas de DNA sintetizadas derivam de uma mesma molécula de DNA, conhecida como fita molde, permanecendo juntas e unidas na altura do centrômero mediante um complexo de proteínas chamadas coesinas. Enquanto estão unidas, essas moléculas levam o nome de cromátides-irmãs. O centrômero se evidencia durante a mitose, quando a cromatina de ambas as cromátides alcança o grau máximo de compactação e desempenha uma função crucial na separação das cromátides-irmãs, pois graças a ele cada célula-filha recebe uma única cromátide, que passa a se chamar cromossomo depois da separação (Figura 6).
Para que as duas moléculas de DNA possam se formar a partir de uma, primeiro a molécula de DNA mãe precisa separar-se para que seja usada de molde na construção das cadeias complementares, formando a bolha de replicação, cujo tamanho aumenta à medida que avança a separação das cadeias nas duas extremidades da bolha. Isso dá lugar – em cada extremidade – a uma estrutura em forma de Y chamada forquilha de replicação (Figura 5). Seus ramos apresentam as duas cadeias de DNA separadas, e o tronco, a dupla hélice em vias de separação. A separação das fitas ocorre através da ação da enzima helicase, que desfaz as pontes de hidrogênio que ligam a dupla hélice (Figura 07).
As duas forquilhas de replicação surgem a partir dos pontos de origem e avançam em direções opostas, desaparecendo quando colidem com suas similares das bolhas contínuas, ao culminar a aproximação progressiva entre elas (Figura 6). Desta forma, a replicação do DNA é um processo bidirecional.
O DNA é sintetizado na direção 5’→3’ e utiliza como molde uma cadeia de DNA já existente, como já mencionado. Enzimas chamadas DNA polimerases, agregam os sucessivos nucleotídeos – um por vez – na extremidade 3’ da cadeia em crescimento. A DNAp (DNA polimerase)é responsável por catalisar as ligações fosfodiésteres que se produzem entre o OH do C3’ da desoxirribose de um nucleotídeo e o fosfato ligado ao C5’ do nucleotídeo recém-chegado.
O DNA é uma molécula de fita dupla e é duplicado por inteiro (tanto éxons, quanto íntrons)Na replicação, as duas cadeias de DNA são utilizadas como molde e uma vez separadas não voltam a se juntar (porque as cadeias-filhas ficam unidas ás progenitoras). Finalmente, a replicação exige um número considerável de enzimas envolvidas nesse processo.
Em células eucarióticas, a DNA-polimerase apresenta-se de várias formas: α, δ, β, ε. A polimeraseαestá envolvida na síntese do primer para o início da replicação e na formação dos fragmentos de Okazaki. Já a polimeraseδ é responsável pela replicação do genoma nuclear, enquanto a polimeraseβ e ε participam da síntese durante a reparação do DNA.
Em bactérias, existem também três tipos de DNA-polimerase: I, II e III. A DNA-polimerase III é a única com alta capacidade de polimerização, sendo a principal responsável pela síntese do DNA (Figura 8).
6. A Transcrição do DNA
A transcrição é conhecida como a síntese de RNA a partir de uma molécula de DNA. Para que a transcrição aconteça, é utilizada apenas uma fita do DNA, na direção 3’ -> 5’, assim, sabe-se que o RNA é sintetizado na mesma direção que o DNA, 5’ -> 3’. Não é necessário que ocorra a separação das duas fitas de DNA, isso porque os ribonucleotídeos se agregam um de cada vez. Por isso, é formado uma bolha de transcrição que se desloca à medida que os nucleotídeos são lidos (Figura 9).
Assim como no processo de replicação do DNA que apresenta a enzima DNA polimerase, para a realização da transcrição, é necessário uma enzima chamada RNA polimerase (RNAp). Esta enzima apresenta-se de três formas, porém é a RNA polimerase II quem sintetiza o RNAm ainda imaturo
Entretanto, a RNA polimerase II não atua sozinha, ela necessita da presença de proteínas que irão auxiliar no processo de transcrição, os chamados fatores de transcrição basal, que irão localizar e ativar a região promotora, a qual apresenta uma sequência nucleotídica conhecida como TATA box(região do DNA a qual irá iniciar-se a transcrição).
Os fatores basais apresentam proteínas do tipo TBP (do inglês, TATA binding protein)que se unem a região do TATA box, resultando em uma rápida abertura na dupla fita de DNA. A partir disto, outros fatores basais começam a aproximar-se do promotor, assim como a enzima RNA polimerase II.Após a RNApII ser fosforilada, ela se desprende dos fatores basais, iniciando a transcrição, sendo encerrada ao chegar na região de terminação.
7. Síntese de Proteínas – Tradução
Após o processo de transcrição do DNA, é obtido como produto o RNAm, o qual irá participar da tradução, ou síntese de proteínas. No RNAm, o código genético está organizado em códons, formados por trincas de nucleotídeos (uracila, adenina, citocina e guanina). Os 4 tipos de bases nitrogenadas combinam entre si gerando um total de 64 códons, sendo que cada códon dá origem a um tipo de aminoácido quando ligado ao seu anticódon (trinca de nucleotídeos correspondente ao códon).
Tanto os aminoácidos quanto os anticódons são carregados pelo RNAt. A tradução do RNA ocorre no citosol da célula e o RNAm, antes localizado no núcleo da célula,migra para a região de síntese proteica. Lá ele irá conectar-se com ribossomos, em que RNAr estão presentes. Essas organelas são compostas por duas subunidades, uma maior e a outra menor as quais apresentam locais onde o RNAt irá se acoplar os sítios A, P e E para a formação da proteína. Assim, a tradução é dividida em três etapas:
Exercícios
01) O DNA é uma molécula formada por uma dupla fita, enrolada uma sobre a outra, que forma uma estrutura helicoidal. Essa molécula se caracteriza pela sua capacidade de autoduplicação, um processo conhecido como:
a) tradução.
b) replicação.
c) transdução.
d) transcrição.
02) Durante um processo de duplicação do DNA, nucleotídeos livres encontrados no núcleo da célula vão se emparelhando sobre a fita molde. O emparelhamento obedece a algumas regras, a base adenina, por exemplo, só se emparelha com:
a) citosina.
b) uracila.
c) guanina.
d) timina.
e) adenina.
03) Marque a alternativa que indica corretamente o códon que marca o início da síntese proteica.
a) UAG.
b) AUU.
c) AUG.
d) GAC.
04) A transcrição pode ser dividida em três importantes etapas. Que nome recebe a fase em que ocorre a incorporação de nucleotídeos a partir da complementariedade com o DNA-molde?
a) Iniciação.
b) Crescimento.
c) Terminação.
d) Alongamento.
Gabarito
01) Letra “b”. O processo de duplicação de uma molécula de DNA é chamado de replicação de DNA ou simplesmente duplicação do DNA.
02) Letra “d”. A adeninas ó se liga à timina, pois esta é sua base complementar
03) Letra “c”. AUG é o códon de início de tradução e corresponde ao aminoácido metionina.
04) Letra “d”. Na fase de alongamento, é sintetizada uma molécula de RNA por intermédio da incorporação de nucleotídeos RNA polimerase que adiciona os novos nucleotídeos.
Referências Bibliográficas
DE ROBERTS. Bases Da Biologia Celular E Molecular. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan. 4ª ed, 2010.
GRIFFITHS, Anthony J. F. Introdução à genética. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan. 9ªed, 2008.
PIMENTEL, M. M. G.; GALLO, C. V. de M.; SANTOS-REBOUÇAS, C. B. Genética Essencial. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2013.
ALBERTS; JOHNSON ; LEWIS, et al. Biologia molecular da célula. Tradução Ana Letícia Vanz et al. 5.ed.-Porto Alegre: Artmed, 2010.
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