comunicação da informação nas moléculas de dna e rna

COMUNICAÇÃO DA INFORMAÇÃO NAS
MOLÉCULAS DE DNA E RNA
Andréia Cristina Hypólito José
11075810
Fernando Caldas Oliveira
11085410
Giovana Zaninelli
11017210
Renato Fernandes Sartori
11061110
Rodrigo de Mello
11105310
Professora Dra. Silvia Dotta
Disciplina: Comunicação e Redes
Turma G
24/07/2011
COMUNICAÇÃO DA INFORMAÇÃO NAS MOLÉCULAS DE DNA E RNA
INTRODUÇÃO
As redes complexas podem ser entendidas como ligações entre elementos que
possuem alguma interação entre si. Os nós são os elementos, enquanto as arestas
ligam os mesmos. O trabalho a seguir visa entender a ligação entre as informações
contidas no DNA e RNA.
O DNA é o detentor da informação genética, que deve ser transcrita para
moléculas de RNA, e após finalizar todos os processos envolvidos, obtêm-se as
proteínas (sequência de aminoácido), que são os principais fatores das atividades
biológicas.
LITERATURA
ÁCIDOS NUCLEICOS
Constituem-se
como
macromoléculas
fundamentais
para
os
sistemas
biológicos, estando presentes em todos os organismos nas formas de ácido
desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA).
O DNA é o principal componente responsável pela armazenagem de
informação genética. Esta informação deve ser transcrita (copiada) para moléculas de
RNA, já que apresenta as sequências de nucleotídeos (“código”) para a sequência de
aminoácidos. Em seguida, as proteínas são sintetizadas a partir da tradução do RNA.
DNA
TRANSCRIÇÃO
DNA
RNA
DUPLICAÇÃO
TRADUÇÃO
PROTEÍNAS
DNA
O DNA está localizado nos núcleos das células, no interior dos cromossomos;
bem como no citoplasma, presente em mitocôndrias e cloroplastos. O RNA, por sua
vez, está localizado no núcleo (local onde é produzido) e no citoplasma (onde ocorre a
síntese proteica).
Também conhecidos como nucleotídeos (nucleosídeo unido ao ácido fosfórico),
os ácidos nucleicos são compostos que apresentam uma molécula de açúcar
(pentose), bases nitrogenadas (púricas e pirimídicas) e ácido fosfórico.
 Pentoses: podem ser diferenciadas em ribose no RNA e desoxirribose no DNA,
sendo que a última apresenta um átomo de oxigênio a menos;
 Bases Nitrogenadas: podem ser diferenciadas em púricas e pirimídicas. No
DNA, as púricas são Adenina (A) e Guanina (G); e as pirimídicas são Citosina
(C) e Timina (T). No RNA, a Timina é substituída pela Uracila (U);
 Ácido fosfórico
OCORRÊNCIA
BASES PÚRICAS
BASES PIRIMÍDICAS
DNA
RNA
Núcleo
Citoplasma
Mitocôndrias
Nucléolo
Cloroplastos
Cromossomos
Adenina
Adenina
Guanina
Guanina
Citosina
Citosina
Timina
Uracila
COMPOSIÇÃO DO DNA
Qualquer informação genética de um ser vivo está armazenada numa
sequência composta pelas quatro bases nitrogenadas. Sendo que as bases A, C, G e
T codificam os aminoácidos que constituem as proteínas. Esta composição de bases
pode ser diferente de uma espécie para outra, porém, a quantidade de adenina é
sempre igual à de Timina (A = T) e o mesmo acontece com a Citosina e a Guanina (C
= G). Desta forma, a quantidade de bases púricas sempre corresponde a de bases
pirimídicas. Sendo a razão AT/ GC variável entre as espécies.
A estrutura do DNA é composta por dupla hélice (diferente do RNA que é
composto por uma única cadeia), ou seja, duas cadeias helicoidais de polinucleotídeos
girando para a direita. Estas duas fitas caracterizam-se por serem antiparalelas e por
estarem conectadas por ligações de hidrogênio que ocorrem entre os pares de bases
(AT e CG). As fitas também são complementares na sua sequência. No processo de
duplicação do DNA, as duas fitas se separam e cada uma serve como modelo para a
formação da complementar. O que resulta na produção de duas moléculas de DNA de
dupla hélice.
As extremidades de cada fita são conhecidas como 3’ e 5’. Sendo que a
extremidade de uma fita 3’ sempre corresponde a uma extremidade 5’ da outra fita.
Para que haja desta forma, a união de bases complementares: A com T e G com C.
TRANSCRIÇÃO
O RNA é transcrito a partir das fitas de DNA, catalisado por várias enzimas
como a RNA-polimerase (sintetiza o RNA-ribossômico, o RNA pré-mensageiro e o
RNA de transferência). A sequência dos nucleotídeos do RNA é complementar a uma
das fitas de DNA (filamento com sentido), porém no lugar da Timina, tem-se a Uracila.
A região que foi transcrita a partir do DNA para o RNA é conhecida como
região codificante. E está apta para a fase seguinte da tradução.
São sintetizados três tipos de moléculas de RNA:
 RNA – mensageiro (RNAm) = determina a especificidade de uma sequência de
aminoácidos.
No citoplasma, ocorre a cópia das bases de DNA para uma cadeia
complementar de RNA, sendo utilizada apenas uma cadeia do primeiro a partir
do critério de emparelhamento das bases. Esta síntese é controlada pela RNApolimerase que passa pelo e DNA e abre as cadeias (no sentido 5’ -> 3’).
Depois que a RNA-polimerase passa, a cadeia de DNA volta a se fechar,
reestabelecendo as ligações
de
hidrogênio. Assim, o
RNAm
estará
apresentado com trincas de bases (denominadas códons).
 RNA – transportador (RNAt) = são moléculas de adaptação, que trazem as
trincas de bases correspondentes (anticódons) as do RNAm para a formação
dos aminoácidos e consequentemente, síntese da proteína.
 RNA – ribossômico (RNAr) e ribossomos = O ribossomo apresenta-se como o
local em que ocorre a síntese de polipeptídeos, sendo composto por proteínas
e RNAr.
TRADUÇÃO
Trata-se do processo de síntese de proteínas (cadeia sequencial de
aminoácidos), em que os ribossomos decodificam a mensagem presente na molécula
de RNAm para uma cadeia de aminoácidos. Esta decodificação consiste no
emparelhamento dos anticódons aos seus respectivos códons, para diferenciar os
aminoácidos. Esta correspondência de uma trinca de bases a um aminoácido é
denominada código genético. O que sugere 64 combinações, com o combinado de 4
nucleotídeos em triplas de códons, número superior aos 20 aminoácidos, uma vez que
mais que um códon pode representar um mesmo aminoácido. Dentre estes códons,
existem os códons de parada, que não especificam aminoácidos, e são utilizados para
o término da síntese da cadeia de aminoácidos.
REDES BIOLÓGICAS
Um sistema vivo é composto por várias unidades biológicas que se interagem
entre si compondo um sistema complexo. E essas unidades biológicas se renovam
com o passar do tempo, e a única coisa que se mantêm constante durante o percurso
de um ser vivo são as informações sobre seu funcionamento. Tais informações podem
ser encontradas no genoma que é formado por DNA, neste ultimo contém todas as
informações necessárias para executar as atividades que compõem o ser vivo.
Para que as informações genéticas sejam executadas na forma de processos
biológicos, é necessária toda uma interação entre DNA, RNA, proteínas e pequenas
moléculas. Essas interações podem ser representadas na forma de um grafo,
compondo as redes celulares. Não são as unidades celulares isoladas que executam
as instruções, mas todas as unidades que, funcionando em conjunto, executam-nas.
As redes presentes em uma célula ligam-se a redes em outras células
formando uma estrutura hierárquica.
INFORMAÇÃO BIOLÓGICA
As informações necessárias para a execução das atividades biológicas
encontram-se armazenadas no genoma, mas como essa informação se transforma em
atividade biológica?
As informações se encontram codificadas dentro da molécula de DNA através
de seus nucleotídeos que se ligam em uma sequência linear. Esses nucleotídeos
podem ser de quatro tipos: adenina (A), guanina (G), citosina (C) ou timina (T). Assim
o DNA forma uma sequência linear em que se ordenam 4 unidades distintas, de tal
forma que, esse ordenamento possibilita a codificação de informações, por exemplo,
AACGTA...
Logo, as informações contidas no DNA são traduzidas e utilizadas para
construir as proteínas. As proteínas são formadas por aminoácidos, que se ligam
linearmente formando uma cadeia. Existem 20 tipos de aminoácidos. Como o idioma
do DNA contem 4 letras e o da proteína contem 20 letras, não é possível obter uma
tradução de letra para letra. Para que seja possível uma tradução, cada conjunto de 3
nucleotídeos, conhecido como códon, é traduzido em um aminoácido. Uma
observação importante é que mais de um códon pode representar o mesmo
aminoácido, por exemplo, os códons GCA, GCC, GCG, GCT representam a alanina. A
sequência de aminoácidos, por sua vez, determina as propriedades químicas de
ligação das proteínas. A sequência de aminoácidos garante uma especificidade
imensa nas ligações entre as proteínas e as várias outras moléculas, o que torna as
proteínas agentes especializados na execução de praticamente todas as atividades
biológicas.
A codificação da informação no DNA apresenta uma série de aspectos
positivos. As células não precisam manter um estoque de todas as proteínas, pois elas
são produzidas somente quando são necessárias. Se uma determinada molécula é
necessária para a manutenção de uma atividade, mas essa molécula não pode ser
adquirida via alimentação, basta recorrer à informação de como produzi-la e isto se
encontra no DNA. As informações não se perdem de uma geração para a outra dentro
da mesma espécie, pois a informação genética é transmitida integralmente no ato da
reprodução.
Em uma tradução de codificação existe o risco de ocorrer erros, obtendo como
resultado uma informação diferente da imaginada. Nos sistemas vivos, surge uma
grande diferença no esquema de codificação, tradução e erro. Existe o código, contido
no DNA, e existe a tradução do código, em termos de proteínas. Freqüentemente
surgem erros na codificação da informação que leva a construção de uma proteína
diferente. Esse erro pode ser considerado uma modificação adaptativa as
contingências do meio em que vivem, assim, a nova proteína pode trazer ao
organismo uma maior capacidade de sobrevivência, assim podemos dizer que o
sistema vivo sofreu uma evolução. Esses erros ocorrem devido a mutações do DNA.
Figura 1 – Esquema exemplificando a formação de rede de proteínas.
CONTROLE TRANSCRICIONAL
Para o desenvolvimento da vida é necessário que as informações contidas nos
genes sejam controladas. A fim de coordenar as várias atividades biológicas, um
sistema rigoroso de controle da expressão dos genes é requerido.
Uma das formas de controle da expressão gênica é o controle transcricional,
onde a molécula envolvida nos mecanismos da informação é o RNA. O RNA é uma
molécula parecida com o DNA, diferindo somente na constituição do tipo de açúcar e
no fato de que a base timina é substituída pela uracila (U), além de se apresentar
somente em uma fita simples.
Nesse processo de transcrição a fita dupla do DNA é aberta por uma enzima
chamada RNA polimerase (RNAp). Essa enzima lê a ordem de nucleotídeos no DNA e
transcreve essa mesma ordem em uma fita de RNA, só que com os nucleotídeos
complementares, isto é, se a fita de DNA contém a sequência TAGC, a fita de RNA
conterá AUCG. Esse processo é conhecido como transcrição e o RNA é conhecido
como RNA mensageiro (mRNA).
Durante a transcrição, a sequência de nucleotídeos contidas em um gene foi
lida e transcrita para uma fita de RNA. Após a transcrição, o mRNA se dirige para uma
organela (ribossomo), situada no citosol, onde ocorre a tradução da informação para o
idioma das proteínas. Em linhas gerais, a fita de mRNA acopla-se ao ribossomo e este
se utiliza de mecanismos auxiliares para buscar os aminoácidos correspondentes aos
códons. Os aminoácidos são ligados em sequência até que a proteína esteja
confeccionada.
REDES REGULATÓRIAS
As redes regulatórias são redes que regulam a transcrição, onde os nós são os
genes e os produtos desses genes, e as ligações representam ativação ou inibição
dos genes por parte dos fatores de transcrição.
A atuação dessa rede regulatória de transcrição deve ser capaz de controlar as
atividades biológicas de maneira coordenada.
Um exemplo dessa rede regulatória é apresentado na figura 2. Nesse circuito,
os nós X e Y representam fatores de transcrição enquanto o nó Z representa um gene.
O símbolo PL mediando a atuação dos fatores de transcrição representa uma porta
lógica, nesse caso, porta lógica E. Nesse circuito o fator de transcrição X ativa o fator
Y e ambos ativam o gene Z. A porta lógica deve representar o que acontece no
mecanismo de transcrição, então a porta lógica é diferente no caso em que somente
um dos fatores é necessário. Contudo, num circuito com muitos nós, uma porta lógica
E não é suficiente para capturar a atuação de vários fatores de transcrição. Nesse
caso, se o número de fatores de ativação é maior que o de inibição, então o gene é
ativado e em caso contrário é inativado.
A integração de vários circuitos proporcionará um sistema de controle eficaz no
controle dos processos biológicos.
Figura 2 – Exemplo de rede regulatória
Sendo assim, a rede regulatória é o ultimo estágio do processo de
transformação da informação biológica. Inicialmente a informação contida nos genes
traduz-se na informação contida nas proteínas e RNA. Por sua vez, as informações
contidas nas proteínas traduzem-se nas interações que executam as atividades
biológicas. E por fim, o objeto matemático que captura as informações genéticas em
termos das interações entre os genes e seus produtos é o grafo, rede.
O maior desafio é elucidar as funções das redes complexas de interação das
proteínas, é conhecer e entender o proteoma dos organismos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Introdução à biologia celular e molecular. Revisão de artigos. Disponível
em:
<
www.inf.puc-rio.br/~melissa/publicacao/.../biologia/anexo_biologia.pdf>.
Acessado em: 18/07/11;
WARDIL, Lucas Lages. Redes em biologia: introdução às redes complexas,
estudo dos aspectos estruturais e dinâmicos do ciclo celular e dos ritmos
circadianos. Minas Gerais: UFMG, 2008. Dissertação (Mestrado) - Curso de PósGraduação em Física da Universidade Federal de Minas Gerais, Minas Gerais, 2008.
LOPES, Fabrício Martins. Redes complexas de expressão gênica: síntese,
identificação, análise e aplicações. São Paulo: USP, 2011. Tese (Doutorado) –
Programa de Pós-Graduação em Bioinformática, Universidade de São Paulo, São
Paulo, 2011.