Biologia Celular e Molecular

Material Genético e Expressão Gênica

Todo ser vivo é constituído de células, nas quais está situado o material hereditário. O genoma é o conjunto completo de informações hereditárias de qualquer organismo, consistindo em uma larga sequência de DNA, composto de nucleotídeos formados por uma base nitrogenada, um açúcar pentose (açúcar de 5 carbonos) e fosfato. A pentose presente no DNA é a desoxirribose e as bases nitrogenadas podem ser de quatro tipos: adenina (A), guanina (G), timina (T) e citosina (C). AS diferentes sequências e quantidades de nucleotídeos formam as diferentes moléculas de DNA.

A configuração da molécula de DNA é semelhante a uma escada de cordas, enrolada helicoidalmente. Nessa escada, o açúcar mais o fosfato são os componentes verticais (corrimões) e as bases nitrogenadas são os degraus. Para que estes se formem são feitas ligações entre duas bases nitrogenadas por meio de ligações de hidrogênio, sendo duplas entre as bases adenina e timina e tripla entre guanina e citosina. Por essa complementaridade, adenina sempre se liga com timina e guanina com citosina.

DNA

Assim, o DNA forma-se por duas cadeias de nucleotídeos que estão ligadas entre as bases nitrogenadas, sendo que essas duas cadeias polinucleotídicas são antiparalelas, isto é, correm em direções opostas, uma na direção 5’ → 3’ e a outra na direção 3’ → 5’. Essa numeração corresponde à identificação dos carbonos da pentose, sendo que o carbono 1’ é aquele que está ligado à base nitrogenada, o 5’ está ligado ao fosfato e o 3’ está ligado a uma hidroxila (OH). A sequência de nucleotídeos se forma com a interação entre o fosfato de um nucleotídeo e a hidroxila do outro. Assim, a extremidade da fita de DNA com fosfato livre corresponde à ponta 5’ e a extremidade com OH livre é a ponta 3’.

A função do DNA é estocar e transmitir a informação genética e para que ocorra a proliferação de células o DNA precisa ser replicado, ocorre então uma autoduplicação semiconservativa. Com ajuda da enzima helicase, as duas fitas se separam e duas novas cadeias são sintetizadas pela ação da enzima DNA polimerase, sendo cada fita nova complementar da fita existente, resultando duas moléculas de DNA dupla-hélice, idênticas à original, compostas de uma fita nova e uma fita antiga.

O DNA constitui a sequência de subunidades individuais, denominadas genes, cuja função é armazenar e codificar as informações genéticas que serão utilizadas para a produção de cadeias polipeptídicas das proteínas que compõem as células, tecidos e órgãos dos organismos. O gene inclui regiões que antecedem (sequência líder) e que seguem (ccauda) a região codificadora, bem como sequências que não são traduzidas (íntrons) e que se intercalam com as sequências codificadoras individuais (éxons).

Para que uma cadeia polipeptídica seja construída a partir de um gene, moléculas de RNA são transcritas de acordo com o processo de complementaridade da fita molde de DNA, com a ajuda da Enzima RNA polimerase. O RNA difere do DNA em sua composição química quanto a dois aspectos: a pentose do RNA é uma ribose e no lugar da base nitrogenada timina ele utiliza a uracila (U). Quanto à estrutura molecular, o RNA apresenta, em geral, apenas uma fita de nucleotídeos.

Há três tipos de RNA necessários à fabricação de uma proteína: o RNA mensageiro (mRNA) corresponde à sequência complementar do gene a ser traduzido em proteína; o RNA transportador (tRNA) transporta aminoácidos que sejam complementares à sequência de mRNA; e o RNA ribossômico (rRNA) compõe, juntamente com proteínas, o ribossomo, que vai orientar o mRNA e o tRNA na construção da cadeia polipeptídica. Dessa forma, a sequência de mRNA é traduzida a uma cadeia nuclear de proteína, que enovela em sua forma nativa tridimensional e pode também formar complexos supramoleculares com outras proteínas, produzindo proteínas estruturais, enzimas, anticorpos e hormônios necessários ao organismo.

RNAs

Após o mRNA ser transcrito a partir do fragmento de DNA requerido (gene), ele se dirige ao citoplasma (no caso de eucariotos) onde, juntamente com os outros tipos de RNA, participa do processo de síntese proteica, também denominada tradução.

Associando-se a proteínas as fitas de rRNA formarão os ribossomos, organelas responsáveis pela leitura da mensagem contida no mRNA.

O tRNA possui duas regiões importantes, uma é o local onde se ligará o aminoácido a ser transportado e a outra corresponde ao trio de bases complementares (antocódon) que se encaixa no códon correspondente do mRNA. O códon se refere às três bases nitrogenadas adjacentes no mRNA que correspondem a um aminoácido específico, assim, um mRNA com 21 bases nitrogenadas daria origem a uma cadeia polipeptídica de 7 aminoácidos. Essa codificação de aminoácidos por determinados códons é a mesma em todos os seres vivos, é o que chamamos de código genético.

O ribossomo se liga ao mRNA na extremidade correspondente ao início de leitura. Dois tRNA, carregados com seus respectivos aminoácidos, prendem-se ao ribossomo, cada um pareando seu anticódon com o códon correspondente no mRNA e uma ligação peptídica une os dois aminoácidos ligados ao tRNA. Em seguida, o ribossomo se desloca ao longo do mRNA e o primeiro tRNA é liberado. O tRNA referente ao próximo aminoácido é inserido no ribossomo e liga-se ao mRNA pelo pareamento códon/anticódon e outra ligação peptídica é formada. O ribossomo desloca-se novamente e a tradução segue até a total decodificação do mRNA. Essa cadeia polipeptídica se enovela na forma tridimensional da proteína e pode ainda formar complexos com outras proteínas, formando os diferentes tipos de proteínas existentes, com suas variadas funções (estrutural catalítica e reguladora).

 

O código genético para a formação dos diferentes tipos de proteínas, descreve a relação entre a sequência de bases nitrogenadas do DNA e a sequência de aminoácidos da cadeia polipeptídica correspondente. A palavra-chave do código para um aminoácido consiste em uma sequência de três bases nitrogenadas adjacentes, que formam a unidade de informação genética, o códon.

Existem 20 tipos de aminoácido e cada um pode ser traduzido por diferentes trincas de nucleotídeos. Por exemplo o aminoácido alanina pode ser codificado por GCA, GCG, GCU e GCC. Esse código é universal pois em todos os organismos da Terra atual ele funciona da mesma maneira.

Todas as células de um determinado organismo, num dado momento da sua vida, contêm o mesmo código ou informação genética da primeira célula (formada pela união dos gametas), porém nem todos os genes estão funcionando em todas as células ao mesmo tempo e com a mesma intensidade.

Todos os tipos de genes estruturais, ou seja, codificadores de proteínas em geral do tRNA e do rRNA, estão organizados em grupos que podem ser controlados coordenadamente. Este controle é exercido por um gene denominado gene regulador que produz uma proteína diferente das que são codificadas pelos genes estruturais e cuja função é controlar a expressão desses últimos genes.

Em procariotos a expressão é regulada ao nível de transcrição, por exemplo o operon-lac em bactérias, onde o gene regulador sintetiza um repressor ou proteína repressora que inibe o gene operador, responsável pelo controle da transcrição de genes estruturais, assim, o gene só é transcrito quando o regulador não está ligado ao operador.

A regulação da expressão gênica em eucariotos requer sistemas de controle mais complexos e pode ocorrer em qualquer etapa, do DNA aos produtos proteicos, envolvendo sequências reguladoras como promotores, silenciadores e reforçadores, que consistem em sítios de ligação para proteínas conhecidas como fatores de transcrição, que se ligam ao DNA e podem ter efeitos variados sobre a transcrição, aumentando, diminuindo ou modulando o nível de expressão gênica.

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