Biologia para Ciências Ambientais

Biologia para Ciências Ambientais

Material Teórico Código Genético, Controle das Atividades Celulares Responsável pelo Conteúdo: Prof. Dr. Carlos Eduardo de Oliveira Garcia Revisão Textual: Profa. Ms. Selma Aparecida Cesarin

Código Genético, Controle das Atividades Celulares Introdução Origem do primeiro DNA Estrutura do DNA e do RNA Síntese Proteica Nesta Unidade, daremos continuidade às informações que ajudarão no entendimento de uma ciência desafiadora e básica, a Biologia. Abordaremos os conhecimentos científicos que envolvem a compreensão dos conceitos da composição química dos seres vivos, os principais processos celulares, a apresentação do código genético e a síntese de proteínas. Fique atento às atividades propostas e aos prazos de realização e de entrega. Não deixe de participar de nosso Fórum de Discussões! Queremos saber sua opinião a respeito do tema levantado! Convite à leitura: leia cada aula, faça anotações e, se necessário, pesquise outros materiais além do que é fornecido. Não acumule dúvidas! Participe, pergunte! Força, coragem e determinação! 5

Unidade: Código Genético, Controle das Atividades Celulares Contextualização Com o avançar do século XXI, a implantação de processos sustentáveis em nossa sociedade torna-se uma medida imprescindível e urgente. Os avanços tecnológicos aliados aos avanços nos conhecimentos dos processos da área biológica visam a minimizar os efeitos do crescimento acelerado da população, garantir a oferta de alimentos, diminuir o grau de poluição gerado e assegurar a manutenção da qualidade ambiental. Os estudos molecular e estrutural em nível celular; a relação entre o código genético e o controle das atividades celulares são vitais para o entendimento dos processos que envolvem o funcionamento do organismo, assim como o estudo das relações dos organismos com seu meio ambiente. Os avanços nessa área de conhecimento, tais como o uso de microorganismos para a biorremediação de áreas contaminadas, reciclagem de materiais, tratamento de água e esgoto, entre outros, são de grande importância, não só podem garantir a sobrevivência dos seres vivos, mas também a preservação dos ambientes naturais e o uso de seus recursos de forma sustentável. 6

Introdução Em nossa conversa anterior, abordamos as principais diferenças entre os seres vivos e os não vivos, e as moléculas fundamentais à manutenção da vida. Daremos prosseguimento ao estudo da vida, aprofundando alguns conceitos em nível celular e tratando de um dos principais processos para permanência e difusão da vida: a síntese proteica. É importante sempre termos em mente que embora os processos que veremos ocorram em nível celular, eles estão completamente conectados a interações entre os indivíduos e possuem uma linha cronológica, sendo possível acompanhar o resultado das interações com o ambiente numa escala de tempo maior. O que demonstra isso é que embora todos os seres vivos possuam um ancestral comum, um mesmo ponto de partida, existe uma imensa diversidade de características e funções entre os seres, representados pelos distintos materiais genéticos em cada espécie. Assim, as escalas micro e macro se complementam, de modo que o entendimento completo só se dá na totalidade, quando integramos os conhecimentos. Essa visão será importante não só no estudo da vida, mas em todas as outras áreas de nosso Curso. Origem do primeiro DNA A origem dos ácidos nucleicos está intimamente relacionada ao estudo da origem da vida, vez que todos os seres vivos possuem as informações necessárias à manutenção de suas vidas nos polímeros DNA e RNA a menor unidade de vida, a célula, já pressupõe a existência de ácidos nucleicos. Há grande controvérsia a respeito da ordem de acontecimentos, o que teria acontecido primeiro: o aparecimento de moléculas mais complexas ou a capacidade de sintetizá-las? Além disso, qual entre os polímeros essenciais à vida surgiu primeiro: proteínas, RNA ou DNA? Atualmente, sugere-se que o primeiro polímero tenha sido o RNA, pois ele é capaz de armazenar informações e ainda catalisar reações. E onde teria surgido a primeira molécula essencial à vida? Segundo evidências, supõe-se que tenha sido em fontes hidrotermais no fundo do mar. Hoje, sabemos que o indivíduo herda suas características pelo DNA. No processo de reprodução há uma fusão entre uma célula sexual masculina e feminina que juntas unem partes iguais de DNA para formar uma nova célula e, dessa célula, pelo processo de divisão celular, forma-se um novo indivíduo da espécie. A estrutura do DNA foi descoberta por Watson e Crick, em 1953, embora as evidências a respeito da estrutura e papel do DNA já tivessem aparecido muito antes. 7

Unidade: Código Genético, Controle das Atividades Celulares Dentre estudos precursores da descoberta dos ácidos nucleicos, podemos mencionar o de Friederich Miescher, de 1868, quando ele isolou, de células do pus, uma substância contendo fósforo e que consistia de uma porção acídica (que hoje conhecemos como DNA) e outra básica, e a chamou de nucleína. Embora tenha purificado parcialmente e estudado as propriedades dos ácidos nucleicos, só se chegou à estrutura primária do DNA no final dos anos da década de 1940. Considerando todos os dados disponíveis na época, Watson e Crick propuseram, em 1953, um modelo tridimensional para o DNA, como mostra a figura a seguir. Fonte: http://qnint.sbq.org.br/qni/visualizartema.php?idtema=33. Figura 1. Empregando as bases desenhadas em cartões, Watson percebeu como deveriam se formar pontes de hidrogênio entre elas. Nesta figura, está ilustrada a primeira hipótese na qual o número de pontes de hidrogênio entre C e G é de apenas duas. Posteriormente, verificaram a possibilidade de se formarem três pontes entre C e G. Finalmente, após alguns refinamentos no modelo, chegaram à proposta final da estrutura do DNA. Estrutura do DNA e do RNA Como já mencionado na Unidade anterior, os ácidos nucleicos (DNA e RNA) são biomoléculas grandes, formadas por unidades monoméricas denominadas nucleotídeos, que podem ser encontrados no interior dos núcleos de células eucariontes, soltos nas células procariontes e no interior de alguns constituintes celulares ou organelas (mitocôndrias nas células animais e vegetais e cloroplastos nas células vegetais). 8

Observe a figura a seguir. Fonte: http://manualdojedi.wordpress.com/category/biologia-ii/. Figura 2. Estrutura das células eucariontes e procariontes, sendo evidenciada a diferença da localização dos ácidos nucleicos no núcleo nas eucariontes e no citoplasma nas procariontes. Os nucleotídeos possuem três componentes característicos: 1. Base nitrogenada; 2. Uma pentose (açúcar, monossacarídeo); e 3. Um fostato. Observe esses componentes na figura a seguir. 9

Unidade: Código Genético, Controle das Atividades Celulares 10 Figura 3. Estrutura do DNA e do RNA. Fonte: http://www.sobiologia.com.br/conteudos/quimica_vida/quimica15.php. As bases nitrogenadas são derivadas de dois compostos: as purinas e as pirimidinas. As bases púricas são adenina e guanina e as pirimídicas são citosina, timina e uracila. A adenina, guanina e citosina estão presentes tanto no DNA quanto no RNA, timina só ocorre no DNA e uracila no RNA. Outra diferença entre o DNA e o RNA é pentose encontrada em cada um, sendo a desoxirribose formadora do DNA e a ribose do RNA. Os nucleotídeos são conectados por ligações fosfodiéster e assim o esqueleto do ácido nucleico é a alternância de grupos fosfato e pentoses. No caso do DNA, do lado externo da dupla hélice, ficam as pentoses e os fosfatos, carregados negativamente. Do lado interno, estão as bases nitrogenadas perpendicularmente às fitas. Dessa forma, a parte interna da dupla hélice não apresenta afinidade com a água (hidrofóbica) e a parte externa apresenta afinidade com a água (hidrofílica). A ligação entre as bases nitrogenadas, que é o que realmente faz o DNA estar numa dupla hélice, é feita por pontes de hidrogênio e de maneira complementar. Isto quer dizer que quando a base nitrogenada for a adenina numa fita, estará ligada a uma timina na outra fita, e quando for citosina em uma, será guanina na outra. Há ainda uma interação do tipo van der Waals e dipolo-dipolo entre as bases, e que promove empilhamentos (como moedas empilhadas) que estabilizam ainda mais a molécula dos ácidos nucleicos (DNA e RNA).

Esse empilhamento decorrente das características químicas das bases protege a molécula, vez que reduz a absorção dos raios UV (esse mecanismo é importante, pois os ácidos nucleicos apresentam forte absorção na faixa de comprimento de onda de 260nm) essa redução na absorção de raios UV por conta do empilhamento das bases é chamado de efeito hipocrômico. A manutenção da molécula de DNA íntegra, em outras palavras, sua estabilidade, é importante para que não haja distúrbios fisiológicos (alterações na estrutura química do DNA das células pode causar um distúrbio cada vez mais comum e que pode levar à morte, o câncer). Mais adiante, abordaremos os mecanismos celulares envolvidos nesse processo. Além disso, a partir do carbono a que está ligado o grupo fosfato, pode-se definir duas extremidades nos ácidos nucleicos, extremidade 5 e 3 ; por convenção, a estrutura de uma fita simples de ácido nucleico é sempre escrita da extremidade 5 3. Figura 4. Estrutura primária da dupla hélice do DNA, sendo indicadas as ligações fosfodiéster entre uma pentose e um grupo fosfato e entre bases nitrogenadas. http://www.ncbi.nlm.nih. gov:80/books/bookres.fcgi/mga/ch2f2.gif. Fonte: http://www.biomol.org/historia/propduplahelice.shtml. 11

Unidade: Código Genético, Controle das Atividades Celulares O segmento de DNA que possui informação para a síntese de uma proteína é chamado de gene. A sequência de bases nitrogenadas contida em um gene formará um código (químico) de sequência que determinará a sequência, o número e o tipo de aminoácidos das proteínas. Os genes estão organizados sob a forma de cromossomos, um empacotamento do DNA. O conjunto de todo os genes nos cromossomos em todas as células de um organismo é chamado genoma. Para termos ideia da quantidade de informação contida e o grau de compactação dos cromossomos em cada célula humana, se pudéssemos esticar a fita de DNA, observaríamos que todo o DNA lá contido possui extensão de 2m. Figura 5. Graus de compactação do DNA mostrando, por fim, um cromossomo metafásico. Fonte: http://www.ufv.br/dbg/genetica/cap1.htm. Para abordarmos o processo de fabricação (síntese) de proteínas, precisamos lembrar que há a participação do RNA e de organelas celulares denominadas ribossomos. O RNA pode desempenhar diferentes funções e, de acordo com a função que desempenha na célula e no processo de síntese de proteínas, pode ser denominado: RNA ribossômico (rrna): pode ser componente estrutural dos ribossomos - organelas que realizam a síntese proteica; 12

RNA mensageiro (mrna): carregador da informação de um ou mais genes até o ribossomo; RNA transportador ou de transferência (trna): moléculas adaptadoras que traduzem fielmente a informação química contida no mrna, numa sequência de aminoácidos. De certa forma, os tipos de RNAs exercem funções que desempenham papel intermediário no processo de síntese de proteínas. Já vimos que alguns fatores ambientais como os raios ultravioletas podem alterar a estrutura dos ácidos nucleicos. Outros fatores importantes a considerar são a temperatura e o ph. Esses fatores ambientais podem exercer papel importante na conformação da dupla hélice de DNA e na estrutura de fita simples do RNA. Em altas temperaturas e extremos de ph, as fitas se separam (desnaturam). Este processo pode ser reversível (ou não), com as fitas reencontrando-se. Essa capacidade, sobretudo do DNA, é utilizada experimentalmente como indicador de compartilhamento genético entre espécies, podendo promover mudanças nas sequências de bases nitrogenadas de um determinado DNA. Em geral, esse processo de alteração do DNA pode ser genericamente denominado de mutação. Em experimentos controlados em laboratórios, manipulando-se a alteração da temperatura ou uma mudança brusca no ph, pode-se promover conjuntamente uma desnaturação da estrutura do DNA em distintas espécies de organismos e, ao promover sua nova estrutura (retornando aos níveis adequados de temperatura e ph), avalia-se quanto de duplas fitas híbridas foram formadas, ou seja, avalia-se quantos genes são compartilhados entre os organismos. No entanto, não são apenas distúrbios físico-químicos que causam a desnaturação do DNA. Como veremos mais adiante, ela ocorre naturalmente nas células, pois é o primeiro passo para a duplicação do material genético (replicação) e da síntese proteica (transcrição, que é a produção de mrna). A degradação do DNA é feita por enzimas chamadas nucleases, que podem ser exonucleases ou endonucleases. As primeiras começam a degradação a partir da extremidade da fita (dupla ou simples), as segundas, a partir de seu interior. O DNA é considerado o material genético. É a molécula que armazena as receitas das estruturas (proteínas) que irão conferir as características morfológicas. É a molécula hereditária, transferida dos pais para os filhos. Além disso, coordena processos celulares fundamentais: A duplicação ou replicação: processo de formação de uma nova molécula de DNA. Esse processo antecede a formação de novas células; A transcrição: formação de uma sequência de mrna a partir de uma sequência de bases do DNA; A tradução: processo de síntese das proteínas. 13

Unidade: Código Genético, Controle das Atividades Celulares Síntese Proteica Já vimos que a relação entre estrutura e função é importante nas macromoléculas, sendo especialmente evidente nas proteínas, as quais exibem uma extraordinária diversidade de funções costumamos utilizar o nome de efeito chave-fechadura para designar a característica de uma forma física estar associada a uma determinada atividade ou função das proteínas. Proteínas são os instrumentos moleculares pelos quais as informações genéticas são expressas manifestação das informações de funcionamento dos organismos, podendo determinar características específicas dos indivíduos. Todas as proteínas, das linhagens mais antigas até os organismos mais complexos, são polímeros construídos com o mesmo conjunto de 20 aminoácidos. O número, o tipo e a sequência de aminoácidos não só determinam a proteína em si, mas também dirige o enovelamento da molécula. Portanto, irá interferir na sua função. Dessa forma, embora todas as proteínas sejam formadas por aminoácidos, podemos diferenciá-las pelo número, tipo e sequência de aminoácidos presentes. A partir da década de 1960, os pesquisadores conseguiram explicar o processo de síntese de proteínas no interior das células vivas. A síntese de proteínas é um processo complexo, chega a envolver muitas outras proteínas e moléculas: quase 300 macromoléculas diferentes estão organizadas na estrutura tridimensional do ribossomo para realizar a montagem passo a passo do peptídeo, seguindo a sequência contida no mrna. Todo o gasto com a síntese de proteínas pode representar até 90% da energia química gasta por uma célula para todas as reações biossintetizantes. Não obstante gaste muita energia e seja complexa, a produção de proteínas é um processo rápido. Essa síntese tem início no núcleo, a partir da transcrição do DNA (formação de uma sequência de mrna a partir de uma sequência de DNA). Observe a figura a seguir. Figura 6. Estruturas assumidas pelas proteínas. Sequência de aminoácidos é a estrutura primária; ligações do tipo pontes de hidrogênio entre os aminoácidos conformam a proteína em helicoidal, que é a estrutura secundária; sofrendo um enovelamento, dobras sobre si própria, a proteína assume a estrutura terciária e quando duas ou mais cadeias peptídicas ligam-se e se enovelam, formam a estrutura quaternária. Fonte: http://crentinho.wordpress.com/2009/03/06/as-proteinas/. 14

A sequência de bases nitrogenadas do DNA carrega informações bioquímicas para montar as proteínas. Essas informações bioquímicas são conhecidas como Código genético. A montagem da cadeia polipeptídica inicia-se no núcleo celular, com a formação de uma molécula de mrna e é realizada no citoplasma, mais precisamente em estruturas chamadas ribossomos, nas quais os aminoácidos são captados. Mas como é possível identificar as bases nitrogenadas que darão início à síntese de proteínas? Qual sequência de bases nitrogenadas dá origem à sequência de aminoácidos, se as bases estão contíguas? Um conjunto de três bases do DNA denominado trinca corresponde a um determinado aminoácido na proteína. No código genético, as quatro bases do DNA alinhadas três a três vão formar um código de 64 trincas possíveis, onde 61 delas irão corresponder a aminoácidos. Essa trinca de bases do DNA que designa um aminoácido é chamada de códon no mrna. Convém lembrar que são conhecidos somente 20 aminoácidos. Dessa forma, há mais de uma trinca que codifica um mesmo aminoácido e por isso falamos que o código genético é degenerado. As três trincas restantes serão utilizadas como pontuação, indicando o término da codificação das proteínas. Da mesma forma que há códons para informar qual aminoácido deve ser adicionado, há um códon de iniciação (sequência AUG que codifica o aminoácido metionina) que indica o início da síntese da cadeia polipeptídica e códons de terminação (sequências UAA, UAG e UGA). O mrna carrega a informação da sequência de aminoácidos a serem conectados e se liga ao ribossomo (no caso dos eucariotos, o mrna deixa o núcleo celular). Cada três bases nitrogenadas codificam um aminoácido. Então, para uma proteína com 100 aminoácidos, é necessário mrna com no mínimo 300 bases nitrogenadas. Observe a figura a seguir. Fonte: http://commons.wikimedia.org/wiki/file:transcri%c3%a7%c3%a3o_de_dna.svg. Figura 7. Ilustração da transcrição (produção de do mrna a partir de uma sequência de DNA). 15

Unidade: Código Genético, Controle das Atividades Celulares Um mesmo aminoácido pode ser codificado por diferentes códons e, em geral, a diferença entre os códons para um mesmo aminoácido está no terceiro nucleotídeo. Ou seja, os dois primeiros nucleotídeos são determinantes, e isto confere ao processo de tradução agilidade sem perder fidelidade, porque ao ser mais fraca a ligação no terceiro nucleotídeo, mais fácil é a dissociação do polipeptídeo do trna, que é a molécula que traduz a informação do mrna em aminoácidos (a molécula de trna é chamada anticódon, vez que é a sequência complementar do códon, um contramolde). O sentido do processo de tradução é na direção 5 3 e esta fase de adição de aminoácidos é chamada de alongamento. Ainda na fase de alongamento, o ribossomo desloca-se no sentido da extremidade 3 do mrna, procedendo à tradução do próximo códon e ligação do aminoácido (movimento chamado de translocação). Depois de acrescidos todos os aminoácidos, o códon de terminação sinaliza o fim da síntese proteica. Como nas outras etapas da síntese, há outras moléculas envolvidas que farão a liberação do polipeptídeo do trna (fatores de liberação ou terminação). Nem sempre as proteínas estão já em sua forma ativa ao deixarem o ribossomo e, portanto, devem sofrer modificações pós-traducionais. Essas modificações podem envolver mudanças químicas na cadeia peptídica de modo a modificar a interação entre os aminoácidos e consequentemente sua estrutura ou ainda a adição de outros grupos de moléculas, como açúcares, por exemplo. Após estar funcional, a proteína é então direcionada para o local onde atuará (formas de endereçamento das proteínas podem ser sequências peptídicas na porção aminoterminal das proteínas, açúcares ligados a elas ou ainda sua própria estrutura tridimensional). Podemos resumir a síntese proteica nas seguintes etapas: I. Ativação dos aminoácidos: aminoácidos se ligam a trnas específicos no citoplasma; II. Iniciação: mrna se liga ao ribossomo na outra parte constituinte do ribossomo. Pareamento com o códon AUG, de iniciação. Processo complexo, ligação a porções específicas do ribossomo (fatores de iniciação); III. Alongamento da cadeia: fase de adição de cada aminoácido, sendo carregado por seu trna e ligado à cadeia por uma ligação covalente; IV. Terminação e liberação: quando chega o códon de terminação é parado o processo de alongamento, o mrna é desconectado do ribossomo e o polipeptídeo liberado; V. Enrolamento e processamento: o polipeptídeo pode sofrer algumas modificações póstraducionais para chegar à sua forma funcional (enrolamento na sua conformação tridimensional e/ou adição de grupos). 16

Veja a figura a seguir. Fonte: http://viveromundohoje.blogspot.com.br/2009/11/traducao-do-mrna.html. Figura 8. Síntese proteica a partir do momento em que o mrna está conectado à subunidade menor do ribossomo. 17

Unidade: Código Genético, Controle das Atividades Celulares Material Complementar Para aprofundar seus estudos, consulte e leia a atentamente o material presente nos seguintes links: http://www.ib.usp.br/sti/evosite/evo101/iie2aoriginoflife.shtml http://www.ib.usp.br/sti/evosite/evo101/iie2bdetailsoforigin.shtml http://www.ib.usp.br/sti/evosite/evo101/iie2bstudyorigins.shtml http://docentes.esalq.usp.br/luagallo/aminoacidos%20e%20proteinas2012.htm Assista, também, ao vídeo ilustrando a síntese proteica em célula eucariótica, disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=p5fm3he_pds 18

Referências ALBERTS, B. et al. Fundamentos da biologia celular. 3.ed. Porto Alegre: ArtMed, 2011. AMABIS, J. M.; MARTHOGR. Biologia. v.1. 3.ed.São Paulo, Moderna, 2009. LEHNINGER, A. L.; Nelson, D. L.; Cox, M. M. Princípios de bioquímica. 2.ed. São Paulo: Sarvier, 1995. ZAIA, D. A. M.; ZAIA, C. T. B. V. 2008. Algumas controvérsias sobre a origem da vida. Química Nova, v. 31, n. 6, p. 1599-602. Disponível em: http://www.scielo.br/pdf/qn/v31n6/ a54v31n6.pdf. 19

Unidade: Código Genético, Controle das Atividades Celulares Anotações 20

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