Aula 8 – Ácidos Nucléicos e a Síntese Protéica

Aula 8 – Ácidos Nucléicos e Síntese Protéica
Os ácidos nucléicos podem aparecer livres na célula ou podem
estar associados a proteínas na forma de moléculas de
nucleoproteínas. Eles resultam do encadeamento de um grande
número de unidades chamadas nucleotídeos. Cada nucleotídeo é
formado por uma base nitrogenada, uma pentose e um radical
fosfato.
Existem 5 tipos de bases nitrogenadas: adenina (A), guanina
(G), citosina (C), timina (T) e uracil (U). As duas primeiras são
derivadas de uma substância chamada purina e por isso são
chamadas de bases púricas; as três últimas derivam da pirimidina,
sendo chamadas de pirimídicas.
As pentoses podem ser de dois tipos: a ribose e a desoxirribose.
A união da base nitrogenada com a pentose forma um composto
chamado nucleosídeo.
Na região do núcleo, os nucleotídeos se reúnem formando
longos filamentos chamados polinucleotídeos, por meio de uma
ligação fosfodiéster (fosfato de uma unidade e pentose da unidade
vizinha).
Existem 2 tipos de ácidos nucléicos: ácido desoxirribonucléico
(DNA ou ADN), cujo açúcar é uma desoxirribose e as bases são A,
T, C e G; e ácido ribonucléico (RNA ou ARN), cujo açúcar é uma
ribose e as bases são A, U, C e G.
DNA: A informação genética
A diferença entre dois filamentos de DNA ou entre dois setores
do mesmo filamento está na sequência em que as bases são
arrumadas.
O modelo de Watson e Crick acerca da estrutura do DNA sugere
uma molécula dupla-hélice. Segundo este modelo, o DNA possui
dois filamentos de polinucleotídeos, presos uma ao outro pelas
bases nitrogenadas que se defrontam. Os dois filamentos estão
torcidos, formando uma hélice dupla. A ligação entre as bases dos
dois filamentos é feita por meio de pontes de hidrogênio, e
observa-se que T sempre se prende à A por duas pontes de
hidrogênio, enquanto C sempre se prende à G por três pontes de
hidrogênio. Como decorrência desse emparelhamento, a sequência
de bases de um filamento determina a sequência do outro. Ex: Se
em um filamento houver a sequência AATCCATGT, no outro a
sequência será TTAGGTACA. Assim, os dois filamentos que
compõe a molécula são complementares. É na obrigatoriedade do
pareamento de bases que está o mecanismo de controle das
características e da hereditariedade
selecionará entre os nucleotídeos livres os pares complementares
desta fita. Durante este encaixe, é obrigatoriamente obedecido o
emparelhamento T-A e C-G. Assim, a sequência de bases do
filamento antigo determina a sequência de bases do filamento
novo, que será igual ao antigo que ocupava aquela posição.
Consequentemente, as duas moléculas resultantes serão
exatamente iguais.
Dizemos que a duplicação do DNA é um processo
semiconservativo, pois cada molécula-filha é formada por um
filamento antigo, que veio do DNA original, e um filamento novo,
recém-fabricado.
À medida que o DNA se duplica, os
cromossomos também se duplicam,
desencadeando a divisão celular. Cada
cópia do DNA fica em um dos
cromossomos resultantes da duplicação, e
esses cromossomos se distribuem entre as
células formadas. Deste modo, as célulasfilhas ganham cópias de DNA idênticas ao
DNA da célula-mãe, garantindo a
transferência do código genético célula à
célula. Portanto, a duplicação do DNA é a
essência
da
reprodução
e
da
hereditariedade.
O RNA
O RNA tem sua molécula formada por um único filamento de
polinucleotídeos. A base T não participa da sua constituição.
Existem 3 tipos de RNA: RNA-mensageiro ou moldador (RNAm), que leva o código genético do DNA para o citoplasma, onde,
segundo o código, determinará a sequência de aminoácidos da
proteína; RNA-transportador ou solúvel (RNA-t), que transporta os
aminoácidos até o local da síntese de proteína; e RNA-ribossomial
(RNA-r), que participa da estrutura dos ribossomos onde ocorre
esta síntese.
Os três são fabricados no núcleo, tendo como modelo um
determinado setor da molécula do DNA. Em seguida, eles migram
para o citoplasma.
Síntese Protéica
Duplicação do DNA
A duplicação do DNA é controlada por várias enzimas que
promovem o afastamento dos fios, unem os nucleotídeos e
corrigem erros de duplicação.
A replicação do material genético inicia-se em locais específicos
da molécula de DNA chamados de origens de replicação, que
possui sequências muito ricas em A e T. Esta processo ocorre
então nas duas fitas da molécula, sempre no sentido 5’ → 3’. Nas
origens de replicação, a enzima DNA-helicase separa as fitas de
DNA por meio da quebra das pontes de hidrogênio existentes entre
as bases nitrogenadas. Para funcionarem, estas enzimas recebem a
ajuda da DNA-topoisomerase (enzima), que desenrola a cadeia,
diminuindo a tensão à medida que as helicases avançam,
facilitando assim o seu trabalho. Esta hélice aberta recebe o nome
de forquilha de replicação.
Com o filamento exposto, há a ação da DNA-polimerase,
principal enzima do processo. Esta enzima então fará a leitura das
bases nitrogenadas presentes na fita de DNA, chamada de molde, e
As características morfológicas de um ser vivo e seu
funcionamento dependem dos seus tipos de proteínas, sendo estas
controladas pelo DNA em 2 etapas: transcrição e tradução.
Transcrição
A transcrição compreende a passagem do código genético do
DNA para o RNA. Neste processo, apenas um dos filamentos do
DNA é usado para a síntese do RNA-m, executada pela enzima
RNA-polimerase, que é específica para ligar apenas nucleotídeos
de ribose.
Durante a síntese, um gene se afasta do seu complemento,
expondo suas bases, onde se encaixam os nucleotídeos de RNA.
Esse encaixe obedece à obrigatoriedade de ligação entre as bases.
Porém, onde houver um A do DNA irá se encaixar um U. Ex: Para
uma sequência TACGGACTA do DNA, haverá a sequência
AUGCCUGAU no RNA. Assim, o código genético que estava no
DNA é transcrito para o RNA.
Este RNA, entretanto, não está pronto para ser traduzido. Em
sua sequência, existem porções que não-codificam proteínas,
denominadas íntrons, e porções codificantes, denominadas éxons.
Em eucariotos, o RNA-m pré-codificado precisa ter suas
sequências íntrons removidas, e suas porções éxons unidas,
formando assim a molécula de RNA-m maduro. Esta então será
utilizada para a formação de proteínas.
- Os genes estruturais só funcionarão se o gene promotor se ligar à
enzima RNA-polimerase, que desencadeará a síntese de RNA-m.
O gene promotor estará livre para este trabalho se o gene operador,
seu vizinho, estiver livre também. Caso o gene operador esteja
bloqueado, este bloqueio atinge o gene promotor, impedindo que
ele se ligue à RNA-polimerase e, deste modo, os genes estruturais
ficam inativos.
- Todo este sistema de bloqueio está na dependência do repressor
(proteína), que é produzido pelo gene regulador. Dependendo do
tipo de repressor, podemos ter 2 tipos de controle: a indução e a
repressão.
Indução: O repressor bloqueia o gene operador. Com isso,
o gene promotor não se liga à RNA-polimerase e os genes
estruturais ficam inativos. Esses genes poderão ser ativados se
alguma substância nova, introduzida na célula, modificar o
repressor, afetando-lhe a capacidade de bloquear o operador. Com
o operador desbloqueado, o promotor se liga à RNA-polimerase e
os estruturais passam a sintetizar proteínas.
Repressão: O repressor inicialmente não é ativo, e o operador está
livre. O promotor se liga à RNA-polimerase e os estruturais estão
fabricando proteínas. Esses genes estruturais poderão ser
desativados se o repressor for modificado por alguma substância
vinda do meio ou produzida pela própria célula. Essa substância
torna o repressor ativo e ele passa a bloquear o gene operador.
Tradução
A tradução compreende o trabalho realizado pelo RNA de
organização dos aminoácidos na sequência determinada pelo
código genético. É essa sequência de aminoácidos que caracteriza
o tipo de proteína (estrutural ou enzimática) que, por sua vez, é
responsável por uma característica do organismo.
Neste processo, cada grupo de 3 bases consecutivas do RNA-m
corresponde a um aminoácido e é chamado de códon. Os códons
são os mesmos para todos os seres vivos e, por isso, dizemos que o
código genético é universal.
O códon só realiza o trabalho de identificação dos aminoácidos
com o auxílio do RNA-t. Este RNA-t liga-se aos aminoácidos que
estão dissolvidos no citoplasma e transporta essas unidades até o
RNA-m.
O RNA-t possui forma de trevo e, em uma de suas extremidades,
aparecem as bases CCA, e em outra um trio de bases chamado de
anticódon, através do qual o RNA-t vai se encaixar nos códons do
RNA-m.
Para cada um dos 20 tipos de aminoácidos, existe um RNA-t
diferente. Esta diferença, que torna cada transportador específico
para cada aminoácido, está no anticódon.
A tradução da sequência de bases do RNA-m para a proteína é
feita nos ribossomos. Os RNA-t, com os respectivos aminoácidos,
vão se encaixando nos códons correspondentes do RNA-m. Assim,
a sequência de códons do RNA-m determina a sequência de
aminoácidos, o que determina o tipo de proteína.
À medida que o grupo de ribossomos (polirribossomo ou
polissomo) desliza pelo RNA-m, os aminoácidos vão se unindo e
formando uma molécula de proteína. Enquanto isso, os RNA-t vão
se soltando e ficam livres para o transporte de outros aminoácidos.
Interessante notar que o código genético é degenerado, ou seja, há
mais de um códon com o mesmo “significado”. Ex: o aminoácido
alanina pode ser codificado por qualquer um dos seguintes códons:
GCU, GCC, GCA e GCG.
Ativação e Inativação Gênica
- Existem quatro tipos de genes ao longo da molécula de DNA: o
gene estrutural, o regulador, o promotor e o operador.
- Os genes estruturais são porções de DNA responsáveis pela
síntese de moléculas de RNA-m. Os outros 3 tipos de genes
controlam o funcionamento de um determinado grupo de genes
estruturais.
Mutações:
Alterações na sequência de bases nitrogenadas de um segmento
do DNA, que podem ser provocadas por radiações, modificando as
bases nitrogenadas do DNA, originando o pareamento errôneo
nesta molécula ou até mesmo a ruptura de segmentos do DNA.
Nem sempre as enzimas encarregadas de fazer a correção dos
defeitos da duplicação conseguem corrigi-los. Neste caso, as
mudanças na programação genética podem alterar as proteínas
fabricadas, modificando consequentemente as características do
organismo.
Quando a mutação corresponde à troca de uma única base, pode
ocorrer a formação de um novo códon que seja responsável pelo
mesmo aminoácido. Essas mutações, chamadas silenciosas, não
afetam o organismo. Entretanto, quando a mutação adiciona ou
retira uma base da sequência, o efeito é mais violento, pois a
sequência de códons ficará alterada a partir deste ponto. A proteína
será totalmente diferente e incapaz de realizar as mesmas funções.
Embora em sua maioria as mutações sejam prejudiciais, pois
alteram ao acaso um sistema vivo altamente organizado, são
fatores importantes para a evolução das espécies.
Exercícios
1) (UFF 2011) “Após o anúncio histórico da criação de vida
artificial no laboratório do geneticista Craig Venter o mesmo
responsável pela decodificação do genoma humano em 2001, o
presidente dos EUA, Barack Obama, pediu a seus conselheiros
especializados em biotecnologia para analisarem as consequências
e as implicações da nova técnica.”
(O Globo on line, 22/05/2010)
A experiência de Venter ainda não explica como a vida começou,
mas reforça novamente que, sob determinadas condições,
fragmentos químicos são unidos para formar a principal molécula
responsável pelo código genético da vida.
Para a síntese de uma molécula de DNA em laboratório, a partir de
uma fita molde de DNA, além do primer, deve-se utilizar
(A) nucleotídeos de Timina, Citosina, Guanina e Adenina; DNA e
RNA polimerase.
(B) nucleotídeos de Timina, Citosina, Guanina e Uracila; e DNA
polimerase.
(C) nucleotídeos de Timina, Citosina, Guanina e Adenina; e DNA
polimerase.
(D) nucleotídeos de Timina, Citosina, Guanina e Uracila; e RNA
polimerase.
(E) nucleotídeos de Timina, Citosina, Guanina, Uracila e Adenina;
e DNA polimerase.
2) (UNIRIO 2008) O filme X-Men 2, lançado em 2003, e dirigido
por Bryan Singer, aborda a discriminação sofrida por mutantes. No
final do filme é apresentado o texto que se segue:
“Mutação: A chave para nossa evolução.
Foi como evoluímos de um organismo unicelular para uma
espécie dominante do planeta.
É um processo lento, normalmente levando milhares de anos.
Mas de tantos em tantos milênios a evolução dá um salto
adiante.”
Considerando o processo evolutivo, não é aceitável afirmar que a
mutação
(A) pode ser causada por um defeito no mecanismo de duplicação
do DNA.
(B) de um gene qualquer é um fenômeno raro e de baixa
ocorrência.
(C) pode ser causada por fatores ambientais, tais como calor,
radiações e ação de produtos químicos.
(D) não tem efeito evolutivo, quando ocorre em células somáticas.
(E) é transmitida às gerações seguintes, quando ocorre em células
germinativas.
3) (UERJ 2011) Leia abaixo a descrição do experimento por meio
do qual se comprovou que a replicação do DNA é do tipo
semiconservativo.
Uma cultura de células teve, inicialmente, o seu ciclo de divisão
sincronizado, ou seja, todas iniciavam e completavam a síntese de
DNA ao mesmo tempo. A cultura foi mantida em um meio
nutritivo e, após um ciclo de replicação, as células foram
transferidas para um outro meio, onde todas as bases nitrogenadas
continham o isótopo do nitrogênio 15N em substituição ao 14N.
Nestas condições, estas células foram acompanhadas por três
gerações seguidas. O DNA de cada geração foi preparado e
separado por centrifugação conforme sua densidade.
Observe o gráfico correspondente ao resultado obtido na primeira
etapa do experimento, na qual as células se reproduziram em meio
normal com 14N:
nem sempre é possível obter a sequência de um gene a partir do mRNA.
5) (UFRJ 2007) As sequências de RNA mensageiro a seguir
codificam peptídeos com atividades biológicas específicas.
Suponha que mutações no DNA tenham causado as seguintes
mudanças nas duas moléculas de mRNA (1 e 2):
A tabela resumida do código genético mostra alguns códons e seus
aminoácidos correspondentes:
Em qual das mudanças (1 ou 2) há risco de perda ou de diminuição
da atividade biológica? Justifique a sua resposta.
6) (ENEM 2009) A figura seguinte representa um modelo de
transmissão da informação genética nos sistemas biológicos. No
fim do processo, que inclui a replicação, a transcrição e a tradução,
há três formas protéicas diferentes, denominadas a, b e c.
Depreende-se do modelo que:
(A) a única molécula que participa da produção de proteínas é o
RNA.
(B) o fluxo de informação genética, nos sistemas biológicos, é
unidirecional.
(C) As fontes de informação ativas, durante o processo de
transcrição, são as proteínas.
(D) é possível obter diferentes variantes protéicas a partir de um
mesmo produto de transcrição.
(E) a molécula de DNA possui forma circular e as demais
moléculas possuem forma de fita simples linearizadas.
7) (UFRJ 2005) A soma das porcentagens de guanina e citosina
em uma certa molécula de ADN é igual a 58% do total de bases
presentes.
a) Indique as porcentagens das quatro bases, adenina (A), citosina
(C), guanina (G) e timina (T), nessa molécula.
b) Explique por que é impossível prever a proporção de citosina
presente no ARN mensageiro codificado por esse trecho de ADN.
Observe, agora, os gráficos correspondentes aos resultados
obtidos, para cada geração, após a substituição do nitrogênio das
bases por 15N:
Gabarito Aula 8
1)
2)
3)
4)
Os gráficos que correspondem, respectivamente à primeira, à
segunda e à terceira gerações são:
(A) X, Y, Z
(B) Z, Y, X
(C) Z, X, Y
(D) Y, Z, X
4) (UFRJ 2011) A sequência de DNA de um gene dos procariotos
pode ser deduzida a partir da sequência de seu RNA mensageiro
(m-RNA). Já no caso dos eucariotos, frequentemente essa técnica
não é adequada para determinar a sequência completa dos
nucleotídeos do gene. Explique por que, no caso dos eucariotos,
5)
6)
7)
C
B
C
Nos eucariotos, logo após a transcrição ocorre, tipicamente, o processo
da editoração do RNA, que consiste na eliminação dos íntrons e a
junção das extremidades remanescentes (éxons) que comporão o RNAm. A dedução da sequência do gene não é possível porque o caminho
inverso produzirá informação incompleta, isto é, sem as sequências dos
íntrons.
A mudança 2, pois é a única que provoca troca de aminoácidos. Essa
troca altera a estrutura do peptídeo, o que pode alterar a sua função.
D
a – Como C=G e C + G = 58%, temos C = G = 58%/2 = 29%. Da
mesma forma, como A = T e A + T = 100% - 58% = 42%, temos A = T
= 21%.
b – Porque a proporção de bases apresentadas refere-se às duas cadeias
da molécula de DNA, não sendo possível determinar a proporção de
citosina na cadeia que será transcrita.