DEPARTAMENTO DE OLIMPIADAS DE BIOLOGIA 2010 COMENTÁRIOS: XVIII OLIMPIADA CEARENSE DE CIENCIAS BIOLOGIA NÍVEL I

Transcrição

1 1 - Uma transformação dos genes determina o aparecimento de novos caracteres. É esse fenômeno que resulta da alteração do ADN obtida sem interação com outra molécula de ADN e que é responsável pela modificação hereditária das características do ser vivo onde ocorreu que se chama mutação. Ela atua do mesmo modo, em planos morfológicos, fisiológicos, bioquímicos, bem como psíquicos. As mutações, conhecidas há muito tempo como monstruosidades hereditárias, foram estudadas primeiro pelo botânico holandês de Vries e sobre tudo pelo geneticista americano Thomas Morgan, Existem inúmeras mutações que por sua vez, se subdividem em mutações genéticas (mutações pontuais), mutações cromossômicas estruturais (mutações estruturais) e mutações cromossômicas numéricas. A maior parte das mutações é invisível. Os genes mutados recessivos não se manifestam quando em presença dos alelos dominantes. Só se manifestam na sua ausência, em geral quando dois gâmetas portadores de um gene recessivo se reúnem pela fecundação. Alguns genes mutados apenas determinam pequenas modificações na composição química do organismo, provocando alterações diminutas e bastante difíceis de observar. Uma mesma mutação pode reaparecer periodicamente. O fato de se falar em genes normais e genes mutados não significa que os primeiros não provenham igualmente de mutações. A sua persistência deve-se ao fato de serem fatores que determinam as características mais favoráveis, sendo possivelmente o produto de uma longa ação de seleção natural que conduziu à sua relativa estabilidade. As mutações ocorrem correntemente em núcleos intercinéticos, isto é, numa fase em que não estão em divisão mitótica. As mutações são sempre alterações bruscas e imprevistas do material hereditário. Durante o processo de divisão celular e diferenciação celulares, ocorrem, por vezes, erros que conduzem à produção de células anormais, ou seja, a maior quantidade de erros ocorre na divisão celular, devido à necessidade de duplicar cada cromossoma, de modo a que cada célula filha tenha uma cópia. Exemplos de processos onde ocorrem esses erros são na Replicação, na Transcrição e na Tradução. No decorrer da vida, o DNA sofre alterações denominadas de mutações, causadas por erros que ocorrem durante a duplicação do DNA, necessária para a divisão celular. O aparecimento de mutações no DNA ocorre em todos os seres vivos, um processo que é fundamental para a evolução e diversidade das espécies. O DNA polimerase pode corrigir erros de replicação. Durante a replicação tem-se cerca de 1 erro em cada 109 ou 1010 nucleotídeos. Como este número é muito pequeno pensou-se que não seria possível tanta fidelidade de replicação dada pelo pareamento de bases, mesmo porque estudos relataram que se os erros derivassem única e exclusivamente do pareamento de bases a freqüência de erros seria muito maior. Estes dados levaram pesquisadores a desconfiar da existência de outro fator ou fatores que estariam agindo para diminuir os erros da replicação. A resposta a esta dúvida veio a ser esclarecida através da observação da existência de uma das ações das enzimas DNA polimerases I e III, na sua ação exonucleásica de 3 para 5, retirando nucleotídeos em direção oposta àquela em que funciona a polimerase. Se um nucleotídeo errado é inserido na cadeia, a enzima polimerase reconhece, pois os nucleotídeos não irão formar pontes de hidrogênio, e retorna ao ponto onde ocorreu o erro hidrolisando o nucleotídeo errado a partir da extremidade 3. Depois de removido o nucleotídeo a enzima polimerase continua agindo, agora com atividade polimerásica. Esta revisão e a capacidade de correção são muito importante pelo fato de que erros na replicação comprometem toda a espécie enquanto que erros na transcrição ou na tradução comprometem apenas uma proteína de determinada célula. Atualmente, sabe-se que a replicação do DNA é um processo com alguma complexidade que envolve a ação de algumas enzimas (Helicase e a Primase). Existe erros tanto na replicação como na transcrição do DNA para RNA. A única diferença é que existe maior probabilidade de erros na transcrição do que na replicação. Na transcrição de informação de DNA a RNA, as duas cadeias de DNA separam-se parcialmente. A cadeia sense, (aquela que ocorre no sentido: 5 para 3 ), separa-se da cadeia antisense (que ocorre de 3 para 5 ). A cadeia de

2 DNA antisense é usada como molde pelas enzimas da transcrição para a produção do mrna. Este processo é designado de transcrição. A tradução é um processo em que utiliza a informação genética proveniente da transcrição para sintetizar proteínas. Essa informação desloca-se para o citoplasma coordenando a seqüência de aminoácidos. Para além do mrna estão envolvidos o trna e o rrna. Neste processo o erro que pode ocorrer é na leitura feita através do mrna que, se engana, a tradução da cadeia é transferida erradamente para o trna, passa para o rrna até ao aminoácido. Logo, se acontece algum erro ele assim irá para a síntese de proteínas. Na síntese de RNA não ocorre o fenômeno de reparo, fenômeno que ocorre na replicação do DNA, mas como o RNA não sofre replicação os possíveis erros não são passados para futuras gerações. Durante a transcrição, apenas um gene de cada fita de DNA é transcrita. Logo, se ocorrer um erro dentro do gene, ele vai ser transcrito para o DNA. Em alguns organismos uma cadeia é molde para alguns genes e a outra para outros genes, em outros organismos todos os genes transcritos estão na mesma cadeia de DNA. Mas erros ocorrentes no RNA não são repassados para a descendência, diferentemente daqueles cujo a ocorrência e no DNA 2 Uma célula está abastecida de energia quando a concentração de ATP está mais elevada do que as concentrações de ADP-AMP. Ao contrário, concentrações maiores de ADP-AMP indicam um nível energético baixo. Portanto, são as concentrações intracelulares desses três nucleotídeos que controlam o metabolismo energético celular, por meio da ativação ou inibição de enzimas. O esquema ao lado mostra resumidamente o metabolismo da glicose em uma célula. Nele estão ressaltadas as etapas geradoras de ATP, além da regulação desse sistema por duas importantes enzimas: a glicogênio fosforilase b e a fosfofrutoquinase. Pode-se observar que o ATP funciona como inibidor das enzimas quando sua concentração está alta, já que não há necessidade de gerá-lo. O ADP e o AMP funcionam como ativadores das enzimas, já que altos níveis dessas moléculas indicam que a concentração de ATP está baixa, sendo necessário acelerar sua produção A Teoria da Endossimbiose, criada por Lynn Margulis, propõe que organelas ou organóides, que compõem as eucélulas tenham surgido como conseqüência de uma associação simbiótica estável entre organismos. Mais especificamente, esta teoria postula que os cloroplastos e as mitocôndrias (orgânulos celulares) dos organismos eucariontes (com um verdadeiro núcleo celular) têm origem num procarionte autotrófico provavelmente um antepassado das cianobactéria atuais - que viveu em simbiose dentro de outro organismo, também unicelular, mas provavelmente de maiores dimensões, obtendo assim proteção e fornecendo ao hospedeiro a energia fornecida pela fotossíntese.

3 A principal implicação da endossimbiogênese é a de que os eucariotas são, de fato, quimeras produzidas pela combinação de diversos genomas de procariontes. Esta teoria é apoiada por várias similaridades estruturais e genéticas como, por exemplo, o fato dos cloroplastos primários das plantas conterem clorofila b e os das algas vermelhas e glaucophyta conterem ficobilinas. Por outro lado, a análise do genoma de algumas destas organelas mostra a sua origem de outros organismos. Outros tipos de algas possuem cloroplastos que provavelmente têm origem numa endosimbiose secundária (como as atuais zooxantelas simbiontes dos corais) ou por ingestão dum organismo com aquelas organelas. A idéia de que a célula eucariótica é um conjunto de microorganismos foi pela primeira vez sugerida na década de 1920 pelo biólogo norte-americano Ivan Wallin, mas a teoria da origem endosimbiótica das mitocôndrias e cloroplastos só foi formulada por Lynn Margulis da Universidade de Massachusetts - Amherst em 1981, com a publicação do seu ensaio Symbiosis in Cell Evolution ( Simbiose na Evolução das Células ) onde ela sugeriu que as células eucarióticas nasceram como comunidades de organismos em interação, que se uniram numa ordem específica. Os elementos procarióticos poderiam ter entrado numa célula hospedeira, quer por ingestão, quer como um parasita e isso teria resultado na formação do cloroplasto clássico com duas membranas (uma resultante da membrana plasmática da cianobactéria e outra da membrana da vesícula de endocitose da célula maior). Com o tempo, os elementos originais teriam desenvolvido uma interação biológica mutuamente benéfica que, mais tarde, se tornou numa simbiose obrigatória. Margulis também sugeriu que o flagelo e cílio das células eucarióticas pode ter tido origem numa espiroqueta endosimbiotica, mas aqueles organelos não contêm DNA e não têm similaridades ultra-estruturais com os dos procariotas; por estas razões, aquela idéia não tem grande apoio na comunidade científica. O mesmo autor sugeriu ainda que as relações simbióticas são uma das principais forças no processo evolutivo, tendo afirmado (em Margulis e Sagan, 1996) que Os seres vivos não ocuparam o mundo pela força, mas por cooperação e considera incompleta a teoria de Darwin de ser a competição a principal força na evolução. Christian de Duve (premiado com o Prêmio Nobel Medicina, em 1974) considera que os peroxissomas podem ter sido os primeiros endosimbiontes, que permitiram às células adaptar-se à quantidade crescente de oxigênio molecular na atmosfera da Terra, no entanto, como estes orgânulos também não possuem DNA, esta teoria é considerada especulativa e sem bases sólidas Os seguintes fatos provam que as mitocôndrias e cloroplastos tiveram origem em bactérias endossimbiontes: * Tanto as mitocôndrias como os cloroplastos possuem DNA bastante diferente do que existe no núcleo celular e em quantidades semelhantes ao das bactérias; * As mitocôndrias utilizam um código genético diferente do da célula eucariótica hospedeira e semelhante ao das bactérias e Archaea; * Ambos estes organelos se encontram rodeados por duas ou mais membranas e a mais interna tem diferenças na composição em relação às outras membranas da célula e semelhanças com a dos procariotas; * Ambos se formam por fissão binária, como é comum nas bactérias; em algumas algas, como a Euglena, os cloroplastos podem ser destruídos por certas substâncias químicas ou por ausência prolongada de luz, sem que isso afecte a célula (que se torna heterotrófica); além disso, quando isto acontece, a célula não tem capacidade para regenerar os seus cloroplastos; * Muito da estrutura e bioquímica dos cloroplastos, como por exemplo, a presença de tilacóides e tipos particulares de pigmentos, é muito semelhante aos das cianobactérias; análises filogenéticas de bactérias, cloroplastos e genomas eucarióticos também sugerem que os cloroplastos estão relacionados com as cianobactérias; * A sequência do DNA de algumas espécies sugere que o núcleo celular contém genes que aparentemente vieram do cloroplasto;

4 * Tanto as mitocôndrias como os cloroplastos possuem genomas muito pequenos, em comparação com outros organismos, o que pode significar um aumento da dependência destes organelos depois da simbiose se tornar obrigatória, ou melhor, passar a ser um organismo novo; * Vários grupos de protistas possuem cloroplastos, embora os seus portadores serem, em geral, mais estreitamente aparentados com formas que não os possuem, o que sugere que, se os cloroplastos tiveram origem em células endosimbiontes, esse processo teve lugar múltiplas vezes, o que é muitas vezes chamado endosimbiose secundária A mitocôndria é um dos orgânulos celulares mais importantes, sendo extremamente importante para respiração celular. É abastecida pela célula que a hospeda por substâncias orgânicas como oxigênio e glicose, as quais processa e converte em energia sob a forma de ATP, que devolve para a célula hospedeira. Sendo energia química que pode ser, e é, usada em reações bioquímicas que necessitem de dispêndio de energia. A mitocôndria está presente em grande quantidade nas células: do sistema nervoso (na extremidade dos axônios), do coração e do sistema muscular, uma vez que estas apresentam uma necessidade maior de energia. A mitocôndria está presente na maioria dos eucariontes, exceto num grupo de protistas chamado Archezoa, apesar da análise genômica destes organismos indicar que podem ter perdido as mitocôndrias ao longo da evolução. Cloroplasto é uma organela presente nas células das plantas e outros organismos fotossintetizadores, como as algas e alguns protistas. Possui clorofila, pigmento responsável pela sua cor verde. Cloroplasto é a organela onde se realiza a fotossíntese. Os cloroplastos distinguem-se bem dos restantes orgânulos da célula, quer pela cor, quer pela sua estrutura, geralmente laminar, possuem RNA, DNA e ribossomas, podendo assim sintetizar proteínas e multiplicar-se. No seu interior apresenta um líquido semelhante ao que preenche as mitocôndrias, o estroma. O sistema de membranas onde se encontra a clorofila encontra-se organizado em tilacóides, agrupados em grana Existem dois grandes grupos de organismos, os procariontes e os eucariontes. As diferenças entre estes seres são a nível celular, como podemos observar através da tabela que se segue: CARACTERÍSTICAS CÉLULA PROCARÒTICA CÉLULA EUCARIÒTICA Tamanho Parede celular Material genético Orgânulos Estruturas respiratórias Fotossínteses Flagelos 0,5 a 5 μm de diâmetro Rígida, constituída por polissacarídeos com aminoácidos Em contato com o citoplasma e sem qualquer invólucro nuclear Sem orgânulos membranares, com muitos ribossomas Hialoplasma e membrana plasmática Sem cloroplastos mas ocorre por vezes em lamelas fotossintéticas. Organelos locomotores simples apenas ligados à superfície da célula. Cerca de 40 μm de diâmetro e em média 1000 a vezes o volume da célula Procariótica. Apenas nas plantas e fungos, constituída por celulose e quitina respectivamente. Rígida. Possui núcleo e um ou mais nucléolos. Vários tipos de organelos membranares (mitocôndrias, retículo, complexo de Golgi). Hialoplasma e mitocôndrias Dá-se nos cloroplastos (apenas nas células vegetais). Organelos locomotores complexos envoltos na membrana plasmática.

5 4.2 As células bacterianas devem ser pequenas devido à ausência de organelas membranosas, que tornam essas regiões especializadas na realização de cada função. Como a célula procariótica não e compartimentada todas as reações devem se processar adequadamente mo seu citossol, logo quanto menor mais otimizado seriam as reações Em 1920, os cientistas Oparin e Haldane, desenvolvendo paralelamente trabalhos correlacionados, propuseram a hipótese sobre o surgimento da vida na Terra. A pesar das diferenças, em síntese, concordavam que esse fenômeno teria iniciado a partir de moléculas orgânicas presentes na atmosfera primitiva, posteriormente percoladas ao oceano, combinando-se a substâncias inorgânicas. Segundo eles, ocorriam na Terra primitiva, intensos processos vulcânicos, emitindo grande quantidade de gases (moléculas): metano CH 4, amônia NH 3, gás hidrogênio H 2 e água H 2 O Mas, em 1953, Stanley Miller, na Universidade de Chicago, realizou em laboratório uma experiência. Colocou num balão de vidro: metano, amônia, hidrogênio e vapor de água. Submeteu-os a aquecimento prolongado. Uma centelha elétrica de alta tensão cortava continuamente o ambiente onde estavam contidos os gases. Ao fim de certo tempo, Miller comprovou o aparecimento de moléculas de aminoácido no interior do balão, que se acumulavam no tubo em U. A experiência de Miller consistiu basicamente em simular as condições da Terra primitiva. Para isto criou um sistema fechado, onde inseriu os principais gases atmosféricos, tais como hidrogênio, amônia, metano, além de vapor d'água. Através de descargas elétricas simulando os relampagos do ciclo da chuva, e ciclos de aquecimento e condensação de água, obteve após algum tempo, diversas moléculas orgânicas (aminoácidos). Deste modo, conseguiu demonstrar experimentalmente, que nas condições primitivas da Terra, seria possível aparecerem moléculas orgânicas através de reações químicas na atmosfera. Estas moléculas orgânicas são indispensáveis para o surgimento da vida Há três posições filosóficas em relação à origem da vida. A primeira relaciona-se aos mitos da criação, que afirmam que a vida foi criada por uma força suprema ou ser superior; essa hipótese, evidentemente, foge ao campo de ação do raciocínio científico, não podendo ser testada e nem refutada pelos métodos usados pela ciência. Uma segunda posição se refere à possibilidade de a vida ter se originado fora do planeta Terra e ter sido semeada por pedaços de rochas, como meteoritos, que teriam trazido esporos ou outras formas de vida alienígena. Esses teriam evoluído nas condições favoráveis da Terra, até originar a diversidade de seres vivos que conhecemos. Um dado interessante: chegam todos os anos, à superfície da Terra, ao redor de mil toneladas de meteoritos. Em algumas dessas rochas, foram encontradas substâncias orgânicas, como aminoácidos e bases nitrogenadas. Ficou bastante claro, a partir da década de 70, que a matéria orgânica é muito mais frequente no universo do que se acreditava antigamente. Um eminente astrônomo inglês, sir Fred Hoyle, defende a ideia de que material biológico, como vírus, poderia ter chegado do espaço; Hoyle chega a aceitar que isso aconteceria ainda hoje e que de alguma forma esse material genético novo poderia ser incorporado aos organismos existentes, modificando assim sua evolução! De qualquer forma, essas idéias não são seriamente consideradas pela maioria dos cientistas; para começo de conversa, o aquecimento de qualquer corpo que entrasse na atmosfera terrestre seria de tal ordem, que destruiria qualquer forma de vida semelhante às que conhecemos hoje. Por outro lado, aceitar que a vida apareceu fora da Terra somente empurraria o problema para diante, já que não esclareceria como a vida teria surgido fora daqui. A terceira posição, a mais em voga hoje, aceita que a vida pode ter surgido espontaneamente sobre o planeta Terra, através da evolução química de substâncias não vivas. Não é fácil ou seguro verificar eventos que ocorreram há bilhões de anos, quando nosso planeta era muito diferente do que é hoje; no entanto, os cientistas

6 conseguiram reproduzir algumas das condições originais em laboratório e descobriram muitas evidências geológicas, químicas e biológicas que reforçam essa hipótese. Prof. Regis Romero Chefe de Departamento de olimpíadas