Unidade 5. Estrutura e Metabolismo das Biomoléculas III: nucleotídeos e ácidos nucléicos; estrutura de genes e cromossomos. I.

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1 EIXO BIOLÓGICO

2 Unidade 5 Estrutura e Metabolismo das Biomoléculas III: nucleotídeos e ácidos nucléicos; estrutura de genes e cromossomos Autor: Luiz Artur Mendes Bataus I. Introdução II. Trabalhos e experimentos expressivos III. Cromatina e cromossomo IV. Reparo de DNA V. Outras funções desempenhadas pelos nucleotídeos VI. Referências

3 #M3U5 I. Introdução Na página 250 da M1U5 foi apresentado o modelo da molécula de DNA (ácido desoxiribonucleico) descrito por Watson e Crick em 1953, trabalho pelo qual eles receberam o prêmio Nobel de Medicina em 1962 (Figura 1). Quando lemos sobre esse trabalho, uma pergunta muito comum surge: como eles desvendaram essa estrutura? Que experimentos foram realizados para embasar essa proposta? Será que eles eram muito mais inteligentes que outros pesquisadores? Seriam gênios ou seriam pessoas normais que tiveram a capacidade de juntar informações e separar as importantes daquelas que, de alguma forma, acabavam dificultando o entendimento do assunto? Dupla hélice do DNA Figura 1: modelo tridimensional da molécula de DNA. 242 Módulo III Processos de manutenção da vida

4 Eixo Biológico P BSC B #M3U5 II. Trabalhos e experimentos expressivos Um dos primeiros trabalhos relevantes foi desenvolvido por Friedrich Miescher (1868). Ele trabalhou com núcleo de células purulentas, isoladas de bandagens cirúrgicas, estudando a composição química dos núcleos dessas células (hoje sabemos que se tratavam de leucócitos). Ele isolou uma substância muito interessante contendo uma parte ácida e outra básica e que continha fosfato na sua composição. Essa substância foi chamada de nucleína. Anos depois, trabalhando com outro modelo experimental, espermatozóides de salmão, isolou uma substância semelhante à do seu trabalho original. Diferentes pesquisadores passaram a trabalhar com o tema nucleína. Vários experimentos foram realizados e demonstraram que a parte ácida era composta por DNA (que além de ácida ainda continha fosfato na sua composição) e que a parte básica era Friedrich Miescher ( ) constituída por proteínas. Outro trabalho marcante foi desenvolvido pelo grupo de Erwin Chargaff entre os anos de 1946 e O grupo estudou o DNA isolado de vários organismos diferentes. Os principais resultados desses estudos foram: 1) a composição de DNA de uma espécie era diferente das outras; 2) a composição de DNA isolado de células diferentes, mas do mesmo organismo, ou seja, tecidos diferentes, apresentava a mesma composição; 3) em todos os organismos estudados (bactérias, plantas e animais) as proporções entre as bases nitrogenadas Adenina (A) e Timina (T) eram muito semelhantes. O mesmo ocorria com a proporção entre Guanosina (G) e Citosina (C); 4) a quantidade de purinas (A+G) era parecida com a de pirimidinas (T+C); No período compreendido pela publicação desses dois trabalhos, os cientistas passaram a acreditar que a nucleína seria a responsável pela transmissão da informação genética. Começou, então, uma corrida para se descobrir as respostas para as seguintes perguntas: 1) A nucleína precisa de todas suas partes para exercer tal função? 2) Seria o DNA o responsável? 3) Seriam as proteínas as responsáveis? Outro experimento importante foi o realizado por Griffith (1928) (Figura 2), que trabalhou com pneumococos. Ele utilizou como modelo de estudo a capacidade de pneumococos virulentos (tipo III) e não virulentos (tipo II) permanece, levando os ratos à morte. Basicamente foram feitos quatro experimentos diferentes: 1) injeção de pneumococos tipo III vivos nos ratos, o que causou a morte; 2) injeção de pneumococos tipo III mortos pelo calor nos ratos que permaneceram vivos; 3) injeção de pneumococos tipo II vivos nos ratos que permaneceram vivos; Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 243

5 # M3U5 Estrutura e Metabolismo das Biomoléculas III: nucleotídeos e ácidos nucléicos; estrutura de genes e cromossomos 4) injeção de pneumococos tipo II vivos misturados com o tipo III mortos, os ratos morreram. Linhagem virulenta S viva Rato morre Linhagem não virulenta R viva Rato vive Linhagem virulenta S morta Rato vive Linhagem não virulenta R viva Linhagem virulenta S morta Rato morre Figura 2: representação esquemática do experimento de Griffith. Em 1944, Avery, MacLead e MacCarty realizaram experimentos que sugeriram que o DNA seria o princípio transformante, ou seja, a substância que teria a capacidade de transmitir a informação genética aos descendentes. O grupo trabalhou com pneumococos (Streptococcus pneumoniae). Eles sabiam que existiam dois tipos de pneumococos, um virulento e outro não virulento, e utilizaram procedimentos semelhantes aos de Griffith, mas introduzindo uma nova abordagem. Injetaram formas não virulentas vivas misturadas com o DNA purificado de formas virulentas. Note bem, utilizaram apenas o DNA purificado e não as células inteiras mortas pelo calor. Eles observaram que os ratos desenvolveram pneumonia e morreram. Atividade complementar 1 O que você conclui a partir dos resultados do experimento acima? Pense um pouco e compare esse experimento com o de Griffith. Vírus bacteriófago Tudo levava a crer que o DNA era o responsável pela transmissão da informação genética. Entretanto, alguns pesquisadores defensores da teoria de que as proteínas seriam o princípio transformante, contestaram esses experimentos dizendo que a preparação do DNA estaria contaminada com proteínas. Em 1952, Hershey e Chase demonstraram elegantemente que o DNA era o princípio transformante, trabalhando com um vírus de bactéria, o bacteriófago T2. Esse vírus, que 244 Módulo III Processos de manutenção da vida

6 Eixo Biológico P BSC B tem uma cápsula protéica envolvendo uma molécula da DNA, infecta as células de Escherichia coli, multiplica-se no seu interior e provoca a sua morte, liberando uma nova geração de vírus. Foram cultivadas células de E. coli infectadas com bacteriófago T2. No frasco número 1, o meio de cultura continha o isótopo radioativo 32 P, no frasco número 2, o meio continha o isótopo 35 S. Os vírus de cada cultura foram purificados. Os do frasco 1 eram marcados com 32 P e os do frasco 2 com 35 S (Figura 3). Neste momento é importante fazermos uma pausa para compreender o experimento. Pense um pouco sobre as seguintes questões: 1) Por que utilizar isótopos diferentes? 2) Qual o objetivo de utilizar esses dois isótopos? 3) O que eles pretendiam provar com o experimento? O átomo de fósforo (P) faz parte da composição da molécula de DNA, enquanto o átomo de enxofre (S) faz parte dos aminoácidos metionina e cisteína. Voltemos ao experimento (Figura 3). O bacteriófago T2 se liga à membrana plasmática da E. coli e injeta o DNA na célula, ficando a cápsula protéica ligada à membrana. Qual foi a grande sacada de Hershey e Chase? Ao marcarem os vírus com 32 P e 35 S eles obtiveram uma forma de diferenciar o DNA da proteína. Eles fizeram duas culturas de E. coli não infectadas, na cultura A foram adicionados vírus marcados com 32 P e na cultura B vírus 35 S. Deixaram essa mistura incubada por alguns minutos e as submeteram a uma forte agitação, de forma a promover a separação da cápsula viral da membrana. Após a agitação, as culturas foram centrifugadas. As células, por serem maiores e apresentarem massa maior, ficaram concentradas no fundo do tubo de centrifugação. Enquanto as cápsulas virais, por terem massa menor, permaneceram em solução não se concentrando no fundo do tubo. A massa de células foi separada do material em suspensão e a radioatividade de cada porção foi medida. A maior parte do isótopo 32 P foi encontrada associada às células, enquanto que a maior parte do isótopo 35 S foi encontrada no material em suspensão. Figura 3: representação do experimento de Hershey e Chase. Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 245

7 # M3U5 Estrutura e Metabolismo das Biomoléculas III: nucleotídeos e ácidos nucléicos; estrutura de genes e cromossomos O que podemos concluir desse experimento? Que apenas o DNA do vírus entrava na célula e era capaz de ser transmitido às novas gerações. Como a proteína não entrava na célula ficou claro que essa molécula não era necessária para a formação da prole. Em outro experimento, Rosalind Franklin e Maurice Wilkins analisaram cristais de DNA utilizando a técnica de difração do raio X. A técnica de difração de raios X consiste em fazer um feixe de raios X atravessar um cristal da molécula a ser analisada. Os especialistas na área observam o padrão de difração e comparam com outros padrões conhecidos. Se olharmos a figura abaixo veremos quatro caminhos de dispersão partindo do centro da figura. Além de termos quatro caminhos, também é possível observar que esses caminhos são marcados por manchas que parecem estar espaçadas de uma forma regular, estando separadas de uma distância regular, repetitiva. Os pesquisadores dessa área da ciência perceberam que esses cristais apresentavam padrões característicos de difração de raio X. Dois padrões de difração foram observados, um que apresentava periodicidade de 0,34ηm (seriam as manchas que marcam os caminhos da dispersão) e outra com 3,4ηm (manchas grandes nas laterais da figura, onde os caminhos de dispersão parecem se encontrar). Segundo os autores, essas manchas representam uma estrutura que tem uma periodicidade de 0,34ηm (degraus da escada). As grandes manchas representariam uma estrutura periódica de 3,4 ηm. Esses dados sugerem que a cada dez repetições da primeira estrutura teríamos o aparecimento da segunda estrutura, ou seja, que a escada daria uma volta sobre si mesma a cada 10 degraus. Curiosidade Figura 4: famosa figura 51 obtida por Rosalind Franklin e Maurice Wilkins. Essa é a única figura do artigo de Watson e Crick (1953). Em 1953, Watson e Crick propuseram um modelo tridimensional da hélice de DNA. O grande mérito desses pesquisadores foi compilar as informações obtidas por outros pesquisadores, analisando criteriosamente os dados e tendo como base os conhecimentos biológicos e físicos de suas formações. Leiam novamente a unidade 5 do módulo I para lembrarem as características importantes da estrutura da molécula de DNA. Foram necessários mais de 50 anos de pesquisa para se chegar nesse modelo. Assim como tudo na vida, essa descoberta foi feita passo a passo, juntando informações de vários experimentos, que utilizaram modelos de estudos e abordagens diferentes, tendo como grande salto a análise ordenada e científica dos resultados obtidos. A descoberta da estrutura tridimensional do DNA foi um marco tão importante que impulsionou uma grande quantidade de experimentos que permeavam assuntos pertinentes à Bioquímica e à Genética, resultando no surgimento de uma nova ciência, a Biologia Molecular (Figura 5). Para se divertir com o avanço da genética e imaginar suas possibilidades e aplicações, assista ao filme Parque dos Dinossauros, dirigido por Steven Spielberg. 246 Módulo III Processos de manutenção da vida

8 Eixo Biológico P BSC B Replicação Transcrição Tradução DNA RNA Proteínas Figura 5: modelo do dogma central da Biologia Molecular: 1) Replicação, 2) Transcrição, 3) Tradução. O processo de duplicação da molécula de DNA é denominado de replicação. Nesse processo, as fitas da molécula de DNA separam-se e servem de molde para a síntese de uma nova fita. Já a transcrição é o processo no qual a informação genética presente na molécula de DNA é reescrita na forma de RNA. A tradução refere-se à decodificação da informação genética, ou seja, a síntese de uma cadeia polipeptídica (proteínas) com base na informação existente na molécula de DNA (Figura 6). Saiba mais Alguns vírus utilizam um processo chamado de Transcrição reversa, onde a informação genética do vírus é mantida na forma de RNA. Entretanto, a célula hospedeira não reconhece esse processo. Assim, o vírus possui uma enzima capaz de produzir uma molécula de DNA a partir da informação presente na molécula de RNA. Esse processo só foi descoberto muitos anos depois de postulado o Dogma Central. Figura 6: Processos de transcrição, onde uma das fitas é reescrita na forma de RNA e de tradução. O DNA codifica o mrna, que será utilizado para informar a seqüência dos aminoácidos na proteína a ser formada. A informação genética é transcrita na forma de mrna e traduzida para formar a proteína. Alguns vírus possuem a informação genética mantida na forma de RNA. Na célula hospedeira, o RNA sofre uma transcrição reversa (retrotranscrição) para formar uma molécula de DNA, esses vírus são denominados de retrovírus, sendo o HIV, vírus causador da AIDS, o mais famoso. Sabemos que o DNA é a molécula que contém a informação genética dos seres vivos em nosso planeta, com exceção de alguns vírus que possuem somente RNA. Como essa informação é estruturada dentro da molécula de DNA? Basicamente, podemos dizer que cada seqüência de DNA transcrita, que gera uma molécula de RNA com funções biológicas, é chamada de gene. Ou seja, um trecho da molécula de DNA que irá servir de molde para a síntese de um mrna, trna ou rrna é considerado um gene. A maior parte dos genes codificam mrna, que serão traduzidos em diferentes cadeias polipeptídicas. Dizer que um gene codifica uma proteína é uma afirmação simplificada, pois sabemos que algumas proteínas são formadas por várias subunidades Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 247

9 # M3U5 Estrutura e Metabolismo das Biomoléculas III: nucleotídeos e ácidos nucléicos; estrutura de genes e cromossomos (cadeias polipeptídicas) e que um gene pode, também, codificar um trna ou rrna. Algumas partes da molécula de DNA codificam genes e outras não. Como diferenciar essas regiões? Vimos nos parágrafos anteriores que um gene é uma informação contida na molécula de DNA que tem de ser necessariamente transcrita, ou seja, ser utilizada como molde na síntese de uma molécula de RNA. Sendo assim, a principal diferença entre as seqüências que codificam genes e aquelas que não codificam é a capacidade de gerar a molécula de RNA. O que podemos concluir desse fato? É provável que a informação necessária para iniciar o processo de transcrição esteja contida na própria molécula de DNA. Além de codificar os genes, a molécula de DNA deve conter seqüências que são reconhecidas pelas proteínas que participam do processo de transcrição, de tal forma a produzir a molécula de RNA codificada pela molécula de DNA. A seqüência que sinaliza o início do processo de transcrição é chamada de promotor. Pode-se dizer que o promotor é a seqüência de DNA que é reconhecida pela maquinaria de transcrição da célula, informando precisamente o local de início da transcrição. Já sabemos que a molécula de DNA não é transcrita na sua totalidade e que o início do processo de transcrição é demarcado pelo promotor. A transcrição ocorrerá até ser encontrado um sinal que determine o final do processo. Podemos dizer, então, que o terminador é a seqüência de DNA que tem a informação precisa para estabelecer o local correto onde a transcrição deve cessar (Figura 7). 5` Promotor Exon Íntron Exon Íntron Exon Terminator 3` 5` Promotor Exon Exon Exon Terminator 3` Figura 7: estrutura geral do gene de células eucarióticas. Vale a pena ressaltar a grande importância dos promotores e terminadores. Pegue a receita do seu bolo favorito. Imagine como seria o resultado se você começasse a preparação do bolo em um ponto diferente do início ou, ainda, que terminasse num ponto qualquer. Certamente o resultado seria um desastre culinário. Os processos de transcrição e tradução foram discutidos na unidade 5 do módulo 1. Maiores informações sobre esses processos podem ser obtidas em todos os livros de Bioquímica e Biologia Molecular. Para ler um pouco mais a respeito do DNA acesse o site: www. Saiba mais Leia mais sobre o assunto nos capítulos 33 e 34 do livro Bioquímica de Lubert Stryer (referência completa no fim da unidade). 248 Módulo III Processos de manutenção da vida

10 Eixo Biológico P BSC B #M3U5 III. Cromatina e cromossomo Lembram-se da nucleína? Aquela substância com uma parte ácida e outra básica, que foi isolada do núcleo de células purulentas? Pois bem, a parte ácida é formada pelo DNA. E a parte básica? Nada foi comentado sobre ela até agora. Bom, o foco foi direcionado para discutirmos os experimentos que levaram à definição de que o DNA era o princípio transformante. Agora vamos discutir a parte básica, a sua importância e o papel que desempenha. O conjunto de todos os genes de um ser vivo é chamado de genoma, podendo estar presente em uma molécula de DNA ou em várias moléculas com diferentes tamanhos. Vejamos: um genoma de uma bactéria tem milhares de genes, codifica milhares de proteínas, lembrando que três nucleotídeos (códon genético) são necessários para codificar um aminoácido. É de se esperar que o tamanho dessa molécula de DNA seja muito grande. O genoma da bactéria E. coli tem aproximadamente pares de bases (pb). Essa molécula deve ter aproximadamente 1,7mm de comprimento. Enquanto uma célula dessa bactéria tem aproximadamente 0,002mm (2mm), ou seja, o tamanho do DNA é aproximadamente 850 vezes maior que a dimensão da bactéria. O mesmo acontece com outros organismos. Figura 8: a parte central da figura (em branco) Na Figura 8 é possível comparar o é a partícula viral. O filamento solto ao redor da tamanho do genoma de um vírus com o tamanho da partícula viral. partícula é o material genético do vírus. Saiba mais O Projeto Genoma Humano (PGH) é um empreendimento internacional que teve início em 1990 com vários objetivos, entre eles identificar e mapear os cerca de 80 mil genes que se calculava existirem no DNA das células do corpo humano. Outro objetivo importante do PGH é descobrir todos os genes na seqüência de DNA e desenvolver meios de usar essa informação no estudo da Biologia e da Medicina, envolvendo com isso a melhoria e simplificação dos métodos de diagnósticos de doenças genéticas. Para saber mais a respeito do projeto acesse o site: Como isso é possível? Só pode ser alcançado se a molécula de DNA for compactada. Essa compactação é conseguida com auxílio da parte básica, ou seja, das proteínas. O conjunto da molécula de DNA associado às proteínas é denominado cromatina. Em todos os organismos vivos esse fenômeno de compactação ocorre, obtido por meio da interação do DNA com proteínas. Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 249

11 # M3U5 Estrutura e Metabolismo das Biomoléculas III: nucleotídeos e ácidos nucléicos; estrutura de genes e cromossomos A cromatina (DNA + proteínas) é uma associação versátil que pode alterar seu grau de compactação. Qual o objetivo de se alterar o nível de compactação? Como é feita essa variação? Já foi discutido nessa unidade que a informação presente na seqüência de DNA deve interagir com proteínas específicas, de modo a permitir que a transcrição ocorra corretamente. Se a cromatina não alterasse seu grau de compactação, seria muito difícil que outras proteínas pudessem interagir com a molécula de DNA. Haveria um bloqueio devido à interação do DNA com as proteínas que formam a cromatina. Tomemos o exemplo deste livro. Ele contém várias informações estando aberto ou fechado. Para acessar uma determinada informação é preciso abrir o livro na página desejada, não é mesmo? O mesmo acontece com a cromatina. A estrutura do DNA, ao expor o trecho desejado, permite que a informação do DNA seja lida e que proteínas específicas possam ligarse à molécula de DNA e assim estabilizar a estrutura. É necessário expor o trecho desejado, permitindo que proteínas específicas possam se ligar à molécula de DNA e desempenhar seu papel biológico. Saiba mais Para compreender melhor o comportamento do DNA e do cromossomo durante o processo de divisão celular, acesse o texto Aspectos modernos da divisão celular pelo link: A cromatina tanto pode diminuir sua condensação, permitindo que o processo de transcrição ocorra, como pode aumentar em muitas vezes seu grau de compactação (Figura 9). Quando a célula entra em processo de divisão celular, a cromatina tem sua condensação aumentada e a compactação é tão grande que a molécula se torna visível ao microscópio ótico. Esse fenômeno foi visto pelos primeiros pesquisadores que utilizaram microscópios para estudar células. Essa estrutura altamente condensada foi chamada de cromossomo. Figura 9: esse modelo representa os diferentes níveis de organização que a molécula de DNA assume até formar os cromossomos no mais elevado grau de espiralização que a molécula de DNA atinge. 250 Módulo III Processos de manutenção da vida

12 Eixo Biológico P BSC B www. Leia mais a respeito dos cromossomos e diferentes níveis de compactação da cromatina no site: Eucariotos e Procariotos Durante o processo evolutivo do nosso planeta, diferentes estratégias de manutenção da vida foram testadas. Entre elas algumas foram centradas na manutenção, preservação, proteção do material genético de cada espécie. Assim, podemos dividir os seres vivos em dois grandes grupos: 1) aqueles que possuem um genoma relativamente pequeno, codificando um número pequeno de proteínas. São indivíduos unicelulares, em que sua célula única tem de produzir todas as proteínas necessárias para a manutenção da vida; 2) aqueles que possuem um genoma muito maior, codificando muitas proteínas. Normalmente são pluricelulares com células especializadas em realizar algumas funções. O primeiro grupo tem seu genoma presente em um único cromossomo, que é concentrado numa região da célula, mas não é delimitado por nenhuma membrana. Já o segundo grupo tem o genoma dividido em vários cromossomos, que são delimitados pela membrana nuclear, formando um núcleo verdadeiro. Qual a diferença em ter membrana nuclear ou não? Que importância essa membrana pode ter? Os seres que não possuem carioteca são denominados procariotos, aqueles que possuem são denominados de eucariotos. Nos procariotos, os processos de transcrição e tradução ocorrem ao mesmo tempo e no mesmo local, permitindo que o organismo, ao decidir expressar um gene, produza uma determinada proteína. Assim que o mrna começa a ser transcrito ele também passa a ser traduzido, permitindo, assim, que a proteína desejada seja produzida rapidamente, ficando prontamente disponível para exercer sua função biológica. Nos eucariotos os processos de transcrição e tradução estão separados no tempo e no espaço. Por que isso ocorre? A transcrição ocorre no interior do núcleo, o mrna formado tem de ser transportado para o citoplasma onde ocorrerá a tradução (síntese das proteínas). Nos eucariotos, o processo todo é mais lento que nos procariotos e, além de serem separados em compartimentos diferentes, os organismos eucarióticos possuem muitas possibilidades de interferir nesse processo, podendo regular, incrementar e personalizar o produto final, ou seja, o gerenciamento do processo é muito mais detalhado. Além da presença da carioteca, outras questões diferenciam os eucariotos dos procariotos. Nos procariotos todos os genes estão contidos em um único trecho da molécula de DNA, já nos eucariotos os genes podem estar contidos em diferentes trechos da molécula de DNA. Esses trechos são separados por seqüências que são transcritas, mas que não são necessárias para a formação da proteína. Os trechos utilizados na síntese das proteínas são denominados de éxons. Nos procariotos todos os genes são organizados em um único éxon, nos eucariotos os éxons são separados por seqüências que não serão utilizadas para sintetizar a proteínas. Essas regiões que intercalam os éxons são denominadas íntrons (Figura 10). Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 251

13 # M3U5 Estrutura e Metabolismo das Biomoléculas III: nucleotídeos e ácidos nucléicos; estrutura de genes e cromossomos Figura 10: diferentes porções de um gene, os éxons são as porções que contêm a informação necessária à síntese protéica. Outra diferença entre esses organismos é a forma de condensação dos cromossomos. Nos eucariotos são encontradas 5 proteínas básicas denominadas histonas (H1, H2A, H2B, H3 e H4), que são pequenas e ricas em aminoácidos básicos, arginina e lisina (apresentam cargas positivas em ph fisiológico). As histonas H2A, H2B, H3 e H4 formam uma estrutura mais ou menos cilíndrica composta por oito proteínas, sendo duas cópias de cada histona. Cada octâmero é enrodilhado por duas voltas de DNA, contendo aproximadamente 200 pares de bases (pb) de extensão, desses, 146 estão firmemente associados às histonas Lembram-se da estrutura da dupla hélice de DNA? Ela apresenta grupamentos fosfatos (ligação fosfodiéster) que apresenta carga negativa e ph fisiológico. Assim, as cargas positivas das histonas atraem as negativas do DNA, resultando numa interação bastante forte entre essas moléculas. A estrutura do octâmero enrodilhado pelo DNA é denominada de nucleosfigura 11: o octâmero de histonas é denominado somo (Figura 11). nucleossomo. Os nucleotídeos que não estão associados ao octâmero de histonas associam-se com a histona H1. A participação da histona H1 permite que os nucleossomos possam ser empilhados uns sobre os outros. Esse empilhamento é estruturado de forma a criar um arranjo mais complexo denominado fibra de 30hm que, por sua vez, se enrola e se dobra, aumentando o grau de condensação da cromatina e formando uma estrutura denominada roseta. Um conjunto de aproximadamente 30 rosetas enovela-se sobre si mesmo, resultando num maior e mais complexo nível organizacional do cromossomo. O processo de condensação dos procariotos não é muito conhecido. Sabemos que proteínas participam da compactação, mas não sabemos quais estão presentes em um dado momento. 252 Módulo III Processos de manutenção da vida

14 Eixo Biológico P BSC B #M3U5 IV. Reparo de DNA Já sabemos que a molécula de DNA é fundamental para manutenção da vida, logo a manutenção da própria molécula de DNA é muito importante também. Atividade complementar 2 O que você acha que aconteceria se a informação contida no DNA fosse modificada, perdida? Qual seria o impacto dessas modificações para o ser vivo? Durante o processo evolutivo que resultou na escolha do DNA como molécula responsável por guardar a informação genética, um sistema eficiente de reparo dessa molécula também foi selecionado, num processo de co-evolução. A mudança de uma única base nitrogenada pode alterar completamente a proteína produzida, podendo inviabilizar sua função biológica ou então desempenhar com deficiência seu papel. Curiosidade O tema mutações genéticas é abordado em diversos seriados e programas de TV. Assista a série Heroes para conhecer uma abordagem ficcional de possíveis mutações benéficas em seres humanos que passam a ter poderes fantásticos. Modificações da seqüência de DNA podem ser causadas pela troca de um nucleotídeo por outro, ou pela perda ou adição de nucleotídeos, o que causaria mudança na leitura dos códons pela maquinaria de tradução das células. Essas modificações podem alterar a função biológica da proteína, podendo melhorar ou piorar seu desempenho. Como de antemão não se pode saber se o resultado será benéfico ou não, a maquinaria celular selecionada apresenta uma alta eficiência de cópia, evitando que as modificações ocorram. Essas modificações são chamadas mutações. Temos um preconceito de achar que toda mutação é ruim para a espécie, o que nem sempre é verdade. O surgimento de mutações permite o aumento da diversidade genética na população. Em um dado momento do processo evolutivo, uma nova situação ambiental poderá testar a variabilidade genética existente. Aquelas que forem favoráveis serão selecionadas positivamente, enquanto as desfavoráveis tenderão a desaparecer. Todas as células possuem múltiplos sistemas de reparo e, muitas vezes, é durante o processo de replicação do DNA que ocorrem essas mutações. A molécula de DNA é desnaturada e as fitas se separam e servem de molde para a formação das fitas filhas. Normalmente, se existirem erros eles serão incorporados na fita recém-formada. Como saber em qual fita está o erro? Para diferenciar a fita molde da fita recém-formada existe um sistema de marcação muito interessante, em que as fitas antigas são marcadas com grupamento metil, através da ação das Dam metilases, enzimas que modificam o DNA. Elas possuem a capacidade de introduzir um grupamento metil nas bases nitrogenadas. Essa reação não é instantânea, ou seja, as fitas novas da molécula de DNA, aquelas que estão sendo sintetizadas à partir do molde existente (fita antiga), não possuem essa marcação. Assim, quando o sistema de reparo encontra uma modificação, ele atua nas fitas que não estão marcadas com o grupamento metil, ou seja, as fitas recém-sintetizadas. As fitas com as marcações são preservadas. Existem sistemas de reparação direta da molécula de DNA, como o descrito anteriormente, porém, em outros casos, o dano é maior, pois o sistema de reparo reconhece o erro e promove a remoção da parte da molécula de DNA danificada. Com a remoção desse trecho, um novo trecho é sintetizado utilizando a outra fita como molde. Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 253

15 # M3U5 Estrutura e Metabolismo das Biomoléculas III: nucleotídeos e ácidos nucléicos; estrutura de genes e cromossomos Saiba mais Para maiores informações a respeito de sistemas de reparo do DNA, acesse o link: Leia mais sobre os sistemas de reparo no site: www. #M3U5 V. Outras funções desempenhadas pelos nucleotídeios Os nucleotídeos, como já sabemos, são as unidades fundamentais das moléculas de ácidos nucléicos, além dessa função, eles também possuem outras funções dentro da célula. Um dessas funções é a de fornecer energia em processos anabólicos, ou seja, naquelas reações bioquímicas que necessitam de energia para ocorrer. Reações que levam a formação de moléculas mais complexas partindo de substratos mais simples, como a biossíntese de glicogênio ou amido utilizando glicose. Nessas reações, para sintetizar uma ligação glicosídica é necessário fornecer energia para fazer essa ligação. Normalmente essa energia vem da hidólise de uma molécula de ATP quando é convertida em ADP + Pi. Outra função importante desempenhada pelos nucleotídeos é a de participar do processo de sinalização celular. Alguns nucleotídeos podem interagir com proteínas alostéricas, de forma a modificar sua conformação tridimensional fazendo com que essas proteínas modifiquem suas características, o que poderá fazer com que atuem mais ou menos eficientemente. A enzima fosfofrutocinase I é uma enzima alostérica que é responsável pela transformação de frutose 6 fosfato em frutose 1,6 bifosfato na via glicolítica (transformação de glicose em duas moléculas de piruvato). Essa enzima é fundamental para regular a via glicolítica. Quando o organismo tem níveis elevados de ATP, é sinal de que a célula tem muita energia, assim não é necessário hidrolisar glicose para formar piruvato. O ATP atua ligando-se à enzima fosfofrutocinase I. Essa ligação sinaliza para a enzima que a célula tem muita energia, portanto seria mais interessante para a célula impedir a hidrólise da glicose, guardando essa molécula para ser hidrolisada em uma ocasião em que a célula precisaria de mais energia. #M3U5 VI. Referências ALBERTS, B.; BRAY, D.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K.; WATSON, J. D. Biologia Molecular da Célula. 4. ed. Porto Alegre: Artmed Editora S.A., AZEVEDO, J. L. Genética de Microrganismos. Goiânia: Editora da UFG, Módulo III Processos de manutenção da vida

16 Eixo Biológico P BSC B LEHNINGER, A.; NELSON, D.; COX, M. Principles of Biochemistry. 2. ed. New York: Worth Publishers, LEWIN, B. Genes VII. Porto Alegre: Artmed Editora S.A., STRYER, L. Bioquímica 05. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan., Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 255