DNA e Síntese Proteica — Experiências e Código Genético

DNA e Síntese Proteica

- Nas primeiras décadas do século passado considerava-se que a informação necessária para formar um ser vivo estaria nas proteínas.

Razões:

• - O conhecimento de uma impressionante diversidade de proteínas
• - O facto de determinadas doenças hereditárias estarem associadas à falta de determinadas enzimas

Nota: os ácidos nucleicos são responsáveis pelo armazenamento da informação genética.

Em 1928... (Frederick Griffith — material genético)

Experiência de Griffith e o princípio transformante

A experiência de Griffith consistiu em verificar que material de uma bactéria morta podia transformar outra bactéria viva.

Princípio transformante: pelo facto de transformar um tipo de bactérias noutro, essa informação deveria ser transmitida por uma substância química.

Avery e colaboradores suspeitavam que o DNA pudesse ser o princípio transformante: ao tratar o extrato proveniente das bactérias tipo S com proteases e RNAses não conseguiram impedir a transformação, mas quando trataram com enzimas que degradam o DNA, a transformação foi impedida.

Conclusão final: o DNA é o princípio transformante.

Detalhes da experiência de Griffith

Algumas bactérias vivas não capsuladas passaram a conter substâncias químicas das capsuladas que permitem a produção de uma cápsula. Na reprodução essa característica era transmitida aos descendentes, daí existirem bactérias vivas capsuladas no sangue dos ratos do lote experimental.

Manipulação genética

Vantagens

• Produção de medicamentos
• Procedimentos médicos
• Reconstituição de tecidos e de órgãos humanos com base em células embrionárias
• Planeamento familiar
• OGM's (organismos geneticamente modificados) para que esses organismos adquiram uma característica específica

Desvantagens

• Substâncias perigosas podem ser geradas de forma imprevisível pela inserção de um gene estranho
• Novos e perigosos vírus podem emergir
• Tem um elevado custo financeiro

Experiência de Avery

• Avery e os seus colaboradores suspeitavam que o DNA pudesse ser o princípio transformante.
• Ao tratarem o DNA proveniente das bactérias tipo S com proteases e RNAses, não conseguiram evitar a transformação das estirpes não virulentas em virulentas.
• Quando fizeram o tratamento com enzimas que degradam o DNA, a transformação foi impedida.

Assim, estes investigadores concluíram que o DNA era o princípio transformante.

Experiência de Hershey e Chase

• Ao marcarem radioativamente as proteínas e o DNA virais, Hershey e Chase puderam seguir o trajeto destas moléculas (o DNA não contém enxofre e as proteínas não contêm fósforo (P)).
• Verificaram que as proteínas presentes na cápsula não penetram na bactéria, ao contrário do DNA.
• Uma vez no interior da bactéria, o DNA viral toma o controlo da célula bacteriana; assim a bactéria produz cópias do DNA viral e proteínas para a cápsula dos novos vírus.
• Ficou demonstrado que o DNA contém a informação genética e que as proteínas não intervêm no processo de produção de novos vírus.

Composição química dos ácidos nucleicos: DNA e RNA

- São polímeros (macromoléculas) formadas por monómeros: os nucleótidos.

DNA (ácido desoxirribonucleico)

• * Distingue-se do RNA pela sua pentose designada desoxirribose
• * Bases purinas: adenina e guanina
• * Bases pirimidinas: timina e citosina

RNA (ácido ribonucleico)

• * Distingue-se do DNA pela sua pentose designada ribose
• * Bases purinas: adenina e guanina
• * Bases pirimidinas: uracilo e citosina

Os nucleótidos estabelecem ligações entre si, formando cadeias polinucleotídicas. Estas ligações estabelecem-se entre o grupo fosfato de um nucleótido e o carbono 3' da pentose do nucleótido seguinte (designa-se ligação fosfodiéster).

Estrutura do DNA

As experiências de Chargaff mostraram que:

• O número de timinas presente no DNA de uma espécie é aproximadamente igual ao número de adeninas.
• O número de guaninas é aproximadamente igual ao número de citosinas.

Logo, a quantidade de purinas ≈ pirimidinas (A + G ≈ T + C).

Maurice Wilkins e Rosalind Franklin, utilizando a difração de raios X sobre amostras de DNA cristalizado, obtiveram padrões que permitiram concluir que a molécula teria uma estrutura helicoidal (modelo de hélice dupla).

- O DNA é composto por duas cadeias polinucleotídicas que se dispõem em sentidos inversos, designando-se por antiparalelas.

Os nucleótidos que formam uma cadeia ligam-se entre si por ligações covalentes entre o grupo fosfato e os carbonos 3' e 5' das pentoses. Cada cadeia apresenta nas extremidades uma ponta livre designada 3' e outra 5'. Assim, a extremidade 5' de uma cadeia corresponde à extremidade 3' da cadeia complementar.

Zona mais externa da dupla hélice: encontra-se o grupo fosfato e a desoxirribose. Zona mais interior: as bases azotadas (formando os "degraus").

A ligação entre as duas cadeias faz-se por pontes de hidrogénio entre bases azotadas complementares:

• Adenina emparelha com Timina — duas pontes de hidrogénio
• Guanina emparelha com Citosina — três pontes de hidrogénio

Estrutura do RNA

• - A molécula de RNA apresenta dimensão muito inferior à do DNA.
• - Normalmente é formada por uma cadeia simples de nucleótidos.
• - Pode dobrar‑se devido ao estabelecimento de pontes de hidrogénio entre bases complementares.
• - As moléculas de RNA são sintetizadas a partir do DNA.
• - Podem ser apresentadas — do ponto de vista da estrutura e função: mRNA (RNA mensageiro), tRNA (RNA de transferência) e rRNA (RNA ribossómico).

Hipóteses de replicação

A. (Semiconservativa): cada uma das cadeias serviria de molde para uma nova cadeia e, consequentemente, cada nova molécula de DNA seria formada por uma cadeia antiga e uma nova.

B. (Conservativa): admitia-se que a molécula de DNA progenitora se mantinha íntegra, servindo apenas de molde para a formação da molécula filha, a qual seria formada por duas novas cadeias de nucleótidos.

C. (Dispersiva): admitia-se que cada molécula filha seria formada por porções da molécula inicial e por regiões sintetizadas de novo a partir dos nucleótidos presentes na célula.

Experiência de Meselson e Stahl

• As bactérias cultivadas com 15N incorporam esse azoto nos seus nucleótidos, formando um DNA com maior densidade que se deposita mais próximo do fundo do tubo sujeito a centrifugação.
• Quando as bactérias são transferidas para meio com 14N, utilizam esse azoto para produzirem novas cadeias de DNA. Assim, na 1.ª geração cada molécula de DNA apresenta uma cadeia com 15N (da geração parental) e outra com 14N (nova) — densidade intermédia.
• Na 2.ª geração, metade das moléculas é formada por duas cadeias leves e a outra metade é formada por uma cadeia leve e outra pesada (densidade intermédia).

Conclusões:

• Modelo conservativo: não é consistente com os resultados — na 1.ª replicação deveriam ter sido observadas moléculas de DNA com dois valores de densidade (parental e 15N).
• Modelo dispersivo: é consistente com o resultado obtido na 1.ª geração, mas na 2.ª geração prevêeria densidades diferentes do observado (não explica a presença de 50% de moléculas leves).
• Os resultados apoiam o modelo semiconservativo de replicação do DNA.

Síntese Proteica

A molécula de DNA garante a preservação da informação genética, fornecendo a cada nova célula uma cópia, normalmente perfeita, das instruções que a célula mãe possuía.

Como é que essa informação se expressa, tornando‑se efetiva?

• - A célula utiliza parte dessa informação para sintetizar proteínas. Algumas dessas proteínas — as enzimas — têm a capacidade de regular o conjunto das reações que ocorrem ao nível celular (o metabolismo).

Transcrição

Transcrição: é a cópia da informação genética do DNA para o RNA, necessária para a síntese de proteínas.

Tradução

Tradução: é o processo de sintetizar proteínas a partir da informação veiculada pelo RNA.

Gene e Genoma

Gene: segmento de DNA que contém informação para sintetizar uma determinada proteína.

Genoma: conjunto de genes que existe num indivíduo (totalidade da informação genética presente num ser vivo).

Monómeros e diversidade

• - Os monómeros dos ácidos nucleicos são os NUCLEÓTIDOS; existem 4 monómeros diferentes.
• - Os monómeros das proteínas são os AMINOÁCIDOS; existem 20 unidades básicas diferentes.

A grande diversidade de proteínas resulta do número e da sequência dos aminoácidos que as constituem.

Código genético

Sequência de nucleótidos codifica aminoácidos segundo um sistema de triplos (codões).

Codão: designação dada à sequência de três nucleótidos do mRNA que codifica um aminoácido.

Codogene: designação do triplet de nucleótidos do DNA que corresponde a um codão.

Características do código genético

• - Cada aminoácido é codificado por um triplo designado codão.
• - O triplo AUG tem dupla função: codifica a metionina e constitui o codão de iniciação para a síntese proteica.
• - Os tripletos UAA, UAG e UGA são codões de terminação — quando surgem, termina a síntese do polipeptídeo.
• - O código genético é redundante (degenerescência): existe mais do que um codão para o mesmo aminoácido.
• - O terceiro nucleótido de cada codão é, em geral, menos específico do que os dois primeiros (ex.: prolina: CCU, CCC, CCA, CCG).
• - O código genético não é ambíguo: um determinado codão não codifica dois aminoácidos diferentes.
• - Regra geral, o código genético é quase universal: um determinado codão tem o mesmo significado para a maioria dos organismos.

Mecanismos envolvidos na síntese proteica

- Entre a transcrição e a tradução, nos seres eucariontes ocorre uma etapa importante: o processamento do RNA.

- Para que a transcrição tenha início é necessário que um determinado segmento da dupla hélice de DNA se desenrole.

- Uma das cadeias de DNA expostas serve de molde para a síntese de mRNA, que se faz a partir dos nucleótidos presentes no nucleoplasma; a enzima RNA polimerase promove a formação de RNA no sentido 5' → 3'.

- A transcrição termina quando a RNA polimerase encontra uma região de terminação.

- A cadeia de RNA sintetizada desprende‑se da molécula de DNA, que volta a emparelhar com a sua cadeia complementar, refazendo a dupla hélice.

Processamento (maturação) do RNA em eucariotos

• - Nos seres eucariontes, o RNA sintetizado sofre um processamento antes de abandonar o núcleo.
• - Durante este processo, diversas secções do RNA inicialmente transcrito são removidas — os intrões.
• - As porções não removidas são os exões, que se ligam entre si formando o mRNA maturado. Pelo facto de o RNA inicialmente transcrito ser um precursor do mRNA, é frequentemente chamado RNA pré‑mensageiro.
• - Por fim, o RNA contém apenas as sequências que codificam os aminoácidos de uma determinada proteína.

Nos seres procariontes não ocorre processamento do RNA; assim, a molécula de RNA transcrita é a molécula que é traduzida. O mRNA migra do núcleo para o citoplasma, onde ocorre a tradução da mensagem, isto é, a síntese de proteínas.

Processo de tradução

- Estão envolvidos o tRNA, o mRNA e os ribossomas.

Cada molécula de tRNA apresenta:

• - uma região que lhe permite fixar um aminoácido específico na extremidade 3',
• - uma sequência de três nucleótidos complementares do codão do mRNA, designada anticodão (o anticodão reconhece o codão ligando‑se a ele),
• - locais para ligação do ribossoma e para a ligação das enzimas intervenientes na formação das ligações peptídicas.

Tradução — Iniciação

• - A subunidade menor do ribossoma liga‑se à extremidade 5' do mRNA.
• - A subunidade menor do ribossoma desliza ao longo do mRNA até encontrar o codão de iniciação AUG.
• - O tRNA que transporta o aminoácido metionina liga‑se por complementaridade ao codão de iniciação.
• - A subunidade maior liga‑se à subunidade menor do ribossoma, formando o ribossoma funcional.

Tradução — Alongamento

• - Um segundo tRNA, com o aminoácido correspondente, liga‑se ao codão seguinte.
• - Estabelece‑se uma ligação peptídica entre o aminoácido e a metionina (ou cadeia peptídica em crescimento).
• - O ribossoma avança três bases ao longo do mRNA, repetindo o ciclo.

Tradução — Finalização

• - O ribossoma encontra um codão de finalização (UAA, UAG ou UGA) que não corresponde a nenhum tRNA — termina a tradução.
• - O último tRNA abandona o ribossoma.
• - As subunidades do ribossoma separam‑se podendo ser recicladas.
• - O peptídeo (proteína) é libertado.

Mutações

Mutação: quando o genoma de um indivíduo sofre alterações.

Mutação genética: quando as alterações afetam determinado gene. Resulta da substituição, desaparecimento ou adição de um nucleótido na sequência que constitui o gene.

Seres procariontes

• - Apresentam uma só molécula de DNA que não está associada a histonas e encontra‑se dispersa no hialoplasma.
• - Como são organismos unicelulares, cada divisão celular produz dois novos indivíduos idênticos à célula mãe.

Seres eucariontes

• - São mais complexos e a sua divisão celular é um processo mais demorado.
• - A informação genética está contida em cromatina associada a histonas (estas conferem estabilidade ao DNA e são responsáveis pelo processo de condensação).

Cromatídeo

Resulta de uma duplicação do filamento inicial da cromatina que ocorreu anteriormente.

Mitose

Mitose: processo que permite que um núcleo se divida, originando dois núcleos filhos, cada um contendo uma cópia de todos os cromossomas do núcleo original.

Citocinese

Citocinese: processo que permite a divisão do citoplasma, geralmente seguindo a divisão nuclear.

DNA e Síntese Proteica (repetição)

- Nas primeiras décadas do século passado considerava‑se que a informação necessária para formar um ser vivo estaria nas proteínas.

Razões:

• - O conhecimento de uma impressionante diversidade de proteínas
• - O facto de determinadas doenças hereditárias estarem associadas à falta de determinadas enzimas

Nota: os ácidos nucleicos são responsáveis pelo armazenamento da informação genética.

Em 1928... (Frederick Griffith — material genético)

Experiência de Griffith e o princípio transformante (repetição)

A experiência de Griffith consistiu em verificar que material de uma bactéria morta podia transformar outra bactéria viva.

Princípio transformante: pelo facto de transformar um tipo de bactérias noutro, essa informação deveria ser transmitida por uma substância química.

Avery suspeitava que o DNA pudesse ser o princípio transformante; ao tratarem o DNA com enzimas que degradam o DNA, a transformação foi impedida.

Conclusão final: o DNA é o princípio transformante.

Bactéria