Química do material genético

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1 1 O NÚCLEO No núcleo estão os cromossomos, onde estão "armazenadas" as informações genéticas de cada espécie. Os seguintes componentes constituem o núcleo celular: Membrana Nuclear: também chamada de carioteca ou cariolema, a membrana nuclear é uma diferenciação local do retículo endoplasmático, caracterizado pela presença de numerosos poros. Observada ao microscópio eletrônico, apresenta-se constituída por duas lâminas: a interna, envolvendo o nucleoplasma, e a externa, em contato com o hialoplasma e apresentando ribossomos. Entre as duas membranas situa-se uma cavidade, o espaço perinuclear. Quimicamente, a carioteca possui a mesma composição do plasmalema e do retículo endoplasmático: contém fosfolipídios e proteínas (membrana lipoprotéica). Através dos poros, são realizadas trocas entre o núcleo e o citoplasma. A quantidade de poros varia com o estágio funcional da célula. Nucleoplasma: é um gel protéico cujas propriedades são comparáveis às do hialoplasma. Também é chamado de suco nuclear, cariolinfa e carioplasma e pode acumular produtos resultantes da atividade nuclear, como RNA e proteínas. Nucléolo: são estruturas esféricas e densas, com 1 a 3 mícron de diâmetro, que aparecem imersos no nucleoplasma. Apesar de existirem núcleos com dois ou mais nucléolos, geralmente encontramos um em cada núcleo. Ao microscópio eletrônico, verifica-se que ele não apresenta membrana e é constituído por uma porção fibrilar e enovelada, o nucleoplasma. Quimicamente, é constituído por RNA-ribossômico, proteínas e fosfolipídios, existindo pequena quantidade de DNA. Juntamente com a carioteca, o nucléolo desaparece no início da divisão celular. No fim da mitose (telófase), o nucléolo reaparece originado de um cromossomo especializado, o chamado cromossomo organizador de nucléolos. O nucléolo é o elemento responsável pela síntese do ácido ribonucléico dos ribossomos (RNAr). Cromatina: principal componente químico do núcleo. No núcleo interfásico, os cromossomos estão representados por um amontoado de grânulos e filamentos dificilmente observáveis ao microscópio óptico. A todo esse conjunto dá-se o nome de cromatina. Sabe-se que a cromatina é constituída por longos filamentos, constituídos por DNA e proteína, que se apresentam em vários graus de condensação ou espiralização. Assim, a eurocromatina é a cromatina descondensada na interfase e que sofrerá condensação na divisão celular. A heterocromatina forma regiões condensadas que constituem os grânulos maiores, também designados por cromocentros. O Núcleo Interfásico: É o intervalo de tempo que separa duas divisões sucessivas de uma célula. É durante a interfase que a atividade do núcleo é alta, pois além da duplicação do DNA, ocorre nele uma série de processos que controlam a vida celular. No núcleo interfásico distinguimos os seguintes componentes: membrana nuclear, nucleoplasma, nucléolos e cromatina. A membrana nuclear constitui um envoltório dentro do qual aparece um líquido, o suco nuclear (carioplasma, nucleoplasma ou cariolinfa), onde estão imersos o nucléolo e a cromatina (fig.1.18).

2 2 Fig Esquema de um cromossomo eucariótico mostrando os seus vários níveis de organização. Cromossomos: Características: no início da divisão celular, os cromossomos se organizam a partir da cromatina do núcleo interfásico. A cromatina e os cromossomos representam dois estados diferentes de um mesmo material. A cromatina é constituída por filamentos delgados e longos que se espiralizam no momento da divisão, formando espirais cerradas, que constituem os cromossomos. Número: o número de cromossomos é constante para os indivíduos de uma mesma espécie. Assim, o homem possui 46 cromossomos, o gado 60, a ervilha 14, etc. Esse número de cromossomos, encontrado nas células somáticas é representado por 2n e chamado diplóide. Isto porque cada cromossomo se apresenta em duplicata, designando-se o par de cromossomos idênticos por cromossomos homólogos. As células sexuais ou gametas, que contém a metade do número de cromossomos das células somáticas, são designadas por haplóides (n). Química do material genético Nas células procarióticas, o cromossomo é uma única molécula de um ácido nucléico, denominado ácido desoxirribonucléico ou DNA. Nas células eucarióticas, o cromossomo é formado por DNA associado a moléculas de proteínas básicas, cuja principal são as histonas. É na molécula de DNA que estão contidos os genes, responsáveis pelo comando da atividade celular e pelas características hereditárias. Cada molécula de DNA contém vários genes dispostos linearmente ao longo da mesma. Cada gene, quando em atividade, é transcrito em moléculas de outros ácidos nucléicos denominados ácidos ribonucléicos ou RNA, que comandarão a síntese de

3 3 proteínas. A síntese protéica é, portanto, a manifestação final da atividade gênica. Cada gene determina a síntese de um único tipo de cadeia polipeptídica, tendo sido formulada, então, a teoria um gene - uma cadeia polipeptídica. Os ácidos nucléicos responsáveis por toda carga hereditária de cada espécie são, portanto o DNA e RNA. Estrutura do DNA: A molécula de DNA e constituída por duas cadeias polinucleotídicas. Cada cadeia é constituída por unidades menores, unidas entre si, chamados nucleotídeos. Cada nucleotídeo contém: uma molécula de ácido fosfórico, uma molécula de um monossacarídeo do grupo das pentoses, uma molécula de uma base nitrogenada. O ácido fosfórico é uma substância com composição bem definida, e o açúcar é uma pentose chamada desoxirribose. As bases nitrogenadas, entretanto, podem ser de quatro tipos diferentes, pertencentes a dois grupos distintos: - bases púricas ou purinas: Adenina (A) e Guanina (G) - bases pirimídicas ou pirimidinas: Citosina (C) e Timina (T) Existem quatro tipos de nucleotídeos, dependendo da base nitrogenada que entra em sua formação, pois tanto o açúcar (desoxirribose) como o ácido fosfórico, são comuns a todos eles. Fig (a) Diagrama de um nucleotídeo; (b) bases púricas; (c) bases pirimídicas. Para formar cada fita do polímero DNA os nucleotídeos formam ligações internucleotídicas: ligações fosfodiester (o ácido fosfórico se liga entre o carbono 3 (C-3 ) e o carbono 5 (C-5 ) das pentoses). As duas cadeias que constituem a molécula do DNA estão interligadas entre si por pontes de H, formadas entre as bases nitrogenadas, fig

4 4 Fig Formação da cadeia polinucleotídica do DNA. Os nucleotídeos são ligados através da ligação covalente, fosfodiester, do grupo fosfato com os carbonos 3 (C-3 ) e carbonos 5 (C-5 ) das pentoses adjacentes.

5 5 O modelo da estrutura molecular do DNA foi proposto em 1953 por Watson & Crick. As duas cadeias assim unidas dispõem-se espiraladamente em torno de um eixo. Em função dessas características, a molécula de DNA é descrita como uma dupla-hélice. Verificou-se, também, que em cada molécula de DNA, a proporção entre as bases timina e adenina e as bases guanina e citosina eram de 1:1. Esses dados levaram à proposição de que a base adenina era complementar à timina, e a base guanina, complementar à citosina. Diz-se, portanto, que a A e T são bases complementares, assim como C e G. Isso significa que, se em um trecho de uma molécula de DNA uma das cadeias apresentar a seqüência de bases GTGACA, a cadeia complementar será CACTGT, respectivamente. Uma molécula de DNA difere de outra pela ordem com que os nucleotídeos se dispõem. Não há restrição na seqüência de nucleotídeos que as cadeias de DNA podem ter, veja fig Fig Diagrama de formação da dupla hélice da molécula de DNA. As duas cadeias são unidas por pontes de H entre A-T e C-G e em seguida adquirem a conformação em hélice. Duplicação do DNA: a formação de novas moléculas de DNA ocorre através de um processo chamado duplicação semiconservativa, pois cada fita da molécula de DNA serve de molde para que uma fita "filha" seja formada.

6 6 Como a molécula do DNA esta disposta em uma dupla-hélice, a primeira etapa do processo de duplicação será promover o "desenrolamento" destas hélices. Pela ação de enzimas chamadas de topoisomerases, os passos helicoidais serão desfeitos (estas enzimas clivam e ressintetizam ligações fosfodiester). Uma vez as cadeias separadas, uma outra enzima a DNA polimerase I, catalisara a adição de unidades de desoxirribonucleotídeos, passo a passo, sempre complementando a fita "molde", sintetizando assim uma nova "fita". Além da DNA polimerase I, outras DNA polimerase foram descritas e a replicação do DNA é mediada por mais de 20 proteínas de forma bastante coordenada. Em eucarióticos a replicação inicia-se em vários pontos e prosseguem em direções opostas. Os novos "trechos" das fitas recém sintetizadas são unidos pela ação de enzimas chamadas DNA ligases, veja fig Fig Esquema representativo da replicação do DNA de eucarióticos. Fitas mãe em azul e as novas fitas filhas em vermelho. A cada processo de replicação, que antecede uma divisão celular, todas as células filhas herdarão o conjunto de gens da célula mãe. Como já foi ressaltado, nas moléculas de DNA, que por sua vez constituem os cromossomos, estão "armazenados" todo o genoma (conjunto de gens) de uma dada espécie. Estes gens são agrupados em gens reguladores, gens operadores e gens estruturais. Os gens operadores com seus conjuntos funcionais de gens estruturais denominam-se operon. Após esta resumida visão da duplicação do DNA, abordaremos o processo da expressão gênica, isto é, como e onde as informações contidas no DNA são "decodificadas". Neste processo está envolvida uma outra classe de moléculas de ácidos nucléicos: o RNA - ácido ribonucléico. Os Ácidos Ribonucléicos são sintetizados a partir do DNA, num processo denominado transcrição. O RNA também é formado por unidades básicas chamadas nucleotídeos. Por isso, diz-se que tanto o DNA como o RNA são polinucleotídeos. Os nucleotídeos do RNA possuem os mesmos constituintes fundamentais do DNA. O açúcar do RNA também é uma pentose - a ribose. Quanto às bases nitrogenadas do RNA, verifica-se a presença de uracila, em vez de timina, como a base complementar da adenina. As demais são as mesmas que ocorrem no DNA, fig

7 7 A molécula de RNA é formada por uma única cadeia polinucleotídica, podendo em determinados pontos, formar uma "alça", sendo que quando isso ocorre, as bases complementares ligam-se através de pontes de hidrogênio, fig Fig Estrutura de um RNAm transcrito de E. coli. A "alça" formada é mantida por montes de H entre as bases. Tipos de RNA: há, na célula, três tipos de RNA, classificados de acordo com suas funções e estruturas: RNA mensageiro (RNAm), RNA ribossômico (RNAr), e transportador (RNAt). RNA ribossômico (RNAr): é o que ocorre em maior quantidade nas células. Esse RNA é encontrado no nucléolo, onde é produzido, e no citoplasma, associado a proteínas, formando os ribossomos. RNA mensageiro (RNAm): ocorre tanto no núcleo, onde é sintetizado, quanto no citoplasma, onde participa da síntese de proteínas, associado aos ribossomos. O RNAm é formado por um filamento simples que contém várias seqüências de três bases. A Transcrição: a síntese de RNA ocorre a partir das moléculas de DNA, que servem de molde, sendo, por isso, denominada transcrição. A molécula de RNA formada é, portanto, complementar ao trecho do DNA transcrito. O fenômeno da transcrição inicia-se em sítios específicos no DNA, chamados sítios promotores. Sob a ação da enzima RNA polimerase, que promove inicialmente o "desenovelamento" do DNA, inicia-se a "leitura" do trecho da fita a ser "copiado" para formar a molécula de RNA. A partir dos sítios promotores, a RNA polimerase sintetizará a adição de nucleotídeos complementares às bases do DNA até completar o trecho a ser transcrito. Existem seqüências de bases, na estrutura do DNA, que indicam um código de "parada". Desta forma estará transcrito a molécula de RNAm (RNA-mensageiro), que nos ribossomos será decodificada ocorrendo assim a síntese da proteína a ser expressa, fig

8 8 Fig Diagrama do processo de transcrição do RNA a partir da molécula de DNA "molde onde somente uma das fitas é transcrita para um dado gen. Interessante salientar que somente em uma das duas fitas, será transcrito um determinado gen, porém, na fita oposta, um outro gen poderá ser transcrito ao mesmo tempo. A cada conjunto de três bases presente no RNAm, refere-se a um códon. Um códon codifica apenas um determinado aminoácido. Entretanto, pode existir mais de um códon para um mesmo aminoácido. O conjunto de códons e denominado código genético. Código Genético: a síntese protéica é o resultado final da interpretação do código genético, estabelecido pelas trincas de bases do RNAm (códons) transcritas do DNA. Os aminoácidos são reconhecidos por trincas de bases específicas, podendo-se estabelecer um código genético universal, veja quadro abaixo. Em 1977 foi verificado pelos cientistas que existem "trechos" da molécula do DNA que não codificam nenhuma proteína. Com essa observação verificou-se então que os gens são descontínuos, isto é, existem regiões não codificantes, que foram chamadas de introns e as regiões codificadas foram chamadas de exons.

9 9 RNA transportador (RNAt): é o menor RNA da célula, sendo formado por pequenas cadeias de 75 a 100 nucleotídeos. Uma característica importante do RNAt é a sua capacidade de se combinar, de modo reversível, com aminoácidos (RNAt-AA) que serão transportados por eles, até os ribossomos onde as proteínas serão sintetizadas. O RNAt, embora seja sintetizado no núcleo, imediatamente após a sua síntese passa para o citoplasma. Assim, ele é praticamente encontrado apenas no citoplasma. Todo RNAt tem um filamento livre de sua molécula composto pela seguinte seqüência de bases nitrogenadas: ACC. É nesse local que ocorre a associação com o aminoácido. Em outra região da molécula existe uma seqüência de três bases denominadas anticódon, que reconhece a posição do códon no RNAm, unindo o seu anticódon ao códon do RNAm, assim cada RNAt-Aminoácido é capaz de reconhecer seu códon específico, fig

10 10 Fig Representação de estrutura típica de uma molécula de RNAt. O aminoácido é ligado à extremidade 3 (ACC), no "loop"2 está localizado o anticódon. Síntese de proteínas: A decodificação do RNAm, nos ribossomos, é chamado de Tradução. A tradução do código genético determina a síntese de uma cadeia polipeptídica, expressa pelo gen que foi transcrito do DNA para o RNAm. Cada proteína tem assim uma seqüência de aminoácidos específica, que foi determinada por um gen ou conjunto de gens presentes em trechos do DNA. Nos procariontes, como não há membrana separando o material nuclear do citoplasma, a transcrição do RNAm e a síntese de proteínas ocorrem simultaneamente, no mesmo compartimento. Nos eucariontes, a transcrição do RNAm ocorre no núcleo, e a síntese de proteínas nos Ribossomos. Estes podem estar livres ou ligados ao RER. Os ribossomos, estruturas formadas por RNAr e proteína, possuem duas subunidades: uma maior e outra menor. Existe uma proteína chamada de fator de iniciação (FI) que promoverá a separação das duas subunidades dos ribossomos. A parte menor do ribossomo possui uma região à qual o RNAm irá se ligar. A subunidade maior possui dois sítios denominados A e P. O primeiro códon do RNAm é sempre AUG e traduz o aminoácido metionina. Assim o RNAt-met será o iniciador da síntese da cadeia polipeptídica. Após a ligação do RNAt-met no sítio P, do ribossomo, o FI é liberado. Concomitantemente, através de seu anticódon, o RNAt-Aminoácido correspondente ao segundo códon é ligado e ocupará o sítio A. Em seguida ocorrerá a ligação peptídica entre a Met e o segundo Aminoácido a ser incorporado, com a conseqüente liberação do RNAt, fig Este mecanismo ocorrerá até a decodificação de todo o RNAm, com a conseqüente síntese da cadeia polipeptídica. Caso o resíduo de met não faça parte do "gen" a ser expresso, ele será retirado do início da cadeia polipeptídica, por uma enzima também presente no local.

11 11 Fig Mecanismo proposto para decodificação do RNAm e a conseqüente síntese da cadeia polipeptídica. O FI-3 (fator de iniciação 3) dissocia as subunidades do ribossomo e se liga ao sítio P. Após a ligação do RNAt-met o FI é liberado. Ver texto para maiores detalhes.

12 12 Sobre um mesmo RNAm podem se deslocar vários ribossomos, que mantêm entre si uma determinada distância. Dessa forma, podem ser formadas várias proteínas iguais sobre o mesmo RNAm. Essa capacidade que o RNA possui de reconhecer o aminoácido e, assim, sintetizar proteínas é chamado TRADUÇÃO. Os três processos - duplicação, transcrição e tradução - ocorrem em todos os organismos e constituem o chamado Princípio Básico da Biologia. COMO OS GENS SÃO "LIGADOS" E "DESLIGADOS? Em linguagem científica diremos: como é realizado o controle da síntese protéica pelas células? Para que se inicie a síntese de uma proteína e necessário que os gens que a expressarão sejam ativados. Os cientistas verificaram que a ativação gênica pode ser realizada por ação de hormônios, produzidos pelas glândulas endócrinas (cap.10). As moléculas de hormônios penetram na célula, podendo chegar diretamente ao núcleo e formarem complexo com o DNA, ativando assim o gen em questão. Outro mecanismo e a interação de hormônios com receptores (proteínas e/ou glicoproteínas) presentes na membrana das células alvo, este complexo hormônio-receptor ativaria enzimas, como a adenil ciclase, que também tem a propriedade de estimular uma série de proteínas e/ou nucleotídeos presentes no citoplasma, e o produto final desta série, ativaria gens envolvidos no fenômeno. De forma semelhante, ou seja, através de inibidores da síntese de proteínas (hormonais ou não) é inibido o fenômeno da transcrição, ou seja, o momento de "parar" a sistese de RNAm, o que como conseqüência determinará o termino da síntese protéica.

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