Material Genético e Regulação da Expressão Génica

As informações hereditárias transmitidas ao longo de gerações, segundo determinados padrões, apresentam um suporte físico: o material genético.

Gene

• É a unidade de informação hereditária;
• É um segmento de DNA com informação para sintetizar uma determinada proteína (determinando uma característica).

Localização do Material Genético

Procariontes

• Uma só molécula não associada a proteínas;
• Disperso no citoplasma;

Eucariontes

• Várias moléculas associadas a proteínas, as histonas;
• Encontra-se no núcleo;
• Também existe DNA extranuclear em mitocôndrias e cloroplastos;

Nucleossomas: resultam do enrolamento do DNA em redor de histonas e permitem o aumento da condensação da cromatina.

Cromatina

• Filamentos de DNA associados a histonas;
• Pode encontrar-se de duas formas no núcleo:
  • Eucromatina: dispersa no núcleo da célula;
  • Heterocromatina: quando se encontra condensada;
  • Heterocromatina: quando se encontra condensada;

Cromossomas

• Filamentos de cromatina condensados (heterocromatina);
• São curtos e espessos;
• Com afinidade para os corantes;
• Surgem quando a célula está em divisão;
• Contêm os genes;

Centrómero

• São constituídos por sequências repetidas de DNA específico ligado a proteínas;
• Tem associado o Cinetocoro: estrutura formada por proteínas que se liga aos microtúbulos;

Telómeros

• Secções terminais dos cromossomas;
• Previnem a degradação dos cromossomas por exonucleases;
• Mantêm a estabilidade dos cromossomas;
• Impedem a formação de anomalias aquando da divisão celular;

DNA Extranuclear Localizado em Alguns Organitos

Localizado em mitocôndrias e cloroplastos (está organizado em cromossomas circulares).

DNA Mitocondrial

• Codifica proteínas associadas à obtenção de energia pela respiração;
• Codifica RNA associado à transcrição e tradução;
• RNA mensageiro é traduzido no citoplasma;
• Proteínas encaminhadas para a mitocôndria;
• Junção com a proteína sintetizada na mitocôndria;

Cromossoma Cloroplastidial

• Codificam proteínas associadas ao metabolismo fotossintético;
• Parte das proteínas derivam dos genes nucleares;
• Há transporte de proteínas para o interior do cloroplasto;

Material Genético em Mitocôndrias e Cloroplastos

• Há maior frequência de mutações neste material genético;
• Alterações no material genético que existam nas mitocôndrias e nos cloroplastos podem estar associadas a causas de: Alzheimer e diabetes do tipo II;

Genoma: é maior em seres eucariontes.

Cariótipo

• Conjunto de cromossomas presentes numa determinada célula, característicos de uma espécie pelo número e morfologia (forma e tamanho);
• O cariótipo humano é constituído por 46 cromossomas, sendo 44 autossomas e 2 heterossomas (ou cromossomas sexuais).

A comparação da dimensão do genoma dos eucariontes não permite obter informação precisa acerca da complexidade do organismo. Muito DNA não codifica nenhum número de cromossomas / da complexidade dos seres – outros parâmetros como a dimensão.

Síntese Proteica

Tradução

Como são necessárias proteínas específicas para permitir a ligação dos ribossomas ao mRNA, o controlo destas proteínas permitirá à célula adequar a tradução, controlando a quantidade de proteínas que se formam por leitura do mRNA.

Processamento: excisão alternativa.

Tradução:

• Controlo do tempo de vida do mRNA;
• Controlo da ligação dos ribossomas ao mRNA;

Regulação da Expressão Génica

A regulação ocorre a diferentes níveis para evitar a produção de proteínas desnecessárias, ou em excesso, que podem afetar negativamente a atividade celular, controlando os gastos energéticos.

Controlo ao Nível do Processamento, Tradução e Pós-tradução

A excisão alternativa (excisão de diferentes partes de DNA em células distintas) permite que a transcrição de um mesmo gene origine duas proteínas distintas em duas células diferentes.

Controlo da Molécula de mRNA (Tradução)

• Tempo de vida longo: poderá ser repetidamente lida e produzir muitas proteínas iguais;
• Se sofrer degradação rápida, poucas proteínas se formam; pode ser modificado por complexos proteicos que se ligam e protegem o mRNA da degradação por enzimas.

Controlo da Transcrição

O Promotor é a região do DNA que permite a ligação inicial da RNA polimerase e é um importante elemento de regulação da transcrição dos genes eucariontes e procariontes.

O número de proteínas é maior que o de genes porque:

• Exões codificam sequências de aminoácidos que podem fazer parte de mais que uma proteína;
• Intrões num contexto e noutro originam exões e proteínas diferentes;

Indutor: estimula a ligação e a atividade da RNA polimerase, aumentando a transcrição.

Repressor: impede que a RNA polimerase reconheça o promotor, não transcrevendo o gene associado.

Estrutura da Cromatina

O grau de condensação da cromatina permite controlar a expressão de um grande conjunto de genes, facilitando ou impedindo o contacto entre a RNA polimerase e o DNA.

• Em cada célula, apenas uma parte do seu genoma está a ser expresso, determinando as suas características;
• Esse conjunto de genes que se expressa varia consoante o tipo de célula, sendo esta a causa da primeira diferenciação celular;
• Este fenómeno é resultado da regulação da expressão dos genes;

Importância da Regulação Génica

Nos organismos mais simples, como os procariontes, a regulação genética condiciona a eficiência energética e o consumo de recursos disponíveis, permitindo que estes organismos ajustem o seu metabolismo às modificações que ocorrem no meio, algo fundamental para a sua sobrevivência.

Procariontes:

• Expressão constitutiva: algumas proteínas são permanentemente necessárias e os respetivos genes são constantemente transcritos;
• Expressão induzida: apenas quando a bactéria se encontra a crescer em condições especiais;

Transcrição: é o principal nível de regulação, pois permite controlar a expressão dos genes, evitando o gasto de energia e compostos para a célula.

Processamento do mRNA: as modificações no processamento do RNA permitem controlar a produção final de proteínas.

Tradução: a síntese de uma nova proteína pode ser controlada ao nível da tradução, diminuindo ou aumentando a eficácia deste processo.

Pós-tradução: inclui todos os mecanismos que provocam alterações na funcionalidade da proteína depois de esta estar formada.

Controlo da Transcrição e Estados da Cromatina

• Heterocromatina: cromatina condensada que não permite a ligação da RNA polimerase ao DNA e, assim, os genes não podem ser transcritos;
• Eucromatina: a descondensação, em que ocorre o desenrolamento da estrutura, permite o acesso da RNA polimerase ao DNA, com a síntese de RNA mensageiro;

Operão Lac: Metabolismo da Lactose

• Se no meio existe glicose, a bactéria utiliza este monossacarídeo como fonte de energia;
• Se a concentração de glicose no meio for muito reduzida ou mesmo nula, a E. coli pode utilizar a lactose como fonte alternativa de energia;
• A lactose é um dissacarídeo formado por glicose e galactose. Para que a E. coli possa utilizar a lactose como fonte de energia, é necessário que a bactéria sintetize enzimas.

Genes estruturais: genes responsáveis pela síntese das três enzimas; encontram-se numa secção contínua da molécula de DNA e são controlados por outros genes próximos. Ao conjunto dos genes estruturais com funções relacionadas e dos genes que os controlam chama-se operão.

Genes estruturais do operão lac: lac Z, lac Y e lac A – codificam as enzimas necessárias ao metabolismo da lactose. Dois segmentos de DNA controlam a transcrição dos genes estruturais: o promotor e o operador.

• Promotor: é a região onde a enzima RNA polimerase, responsável pela transcrição dos genes estruturais, se liga;
• Operador: controla o acesso desta enzima aos genes estruturais;

Lactose ausente: quando não existe lactose no meio, um repressor está ligado ao operador, bloqueando a transcrição dos genes estruturais. Esta proteína repressora é codificada por um gene que se situa fora do operão e é designado gene repressor ou gene regulador, constantemente transcrito e traduzido. Assim, a bactéria produz continuamente pequenas quantidades de proteína repressora.

Lactose presente: quando existe lactose no meio, esta molécula liga-se ao repressor, altera a sua conformação de tal forma que se torna inativo, desligando-se do operador. Assim, o operador fica livre, permitindo que os genes estruturais sejam transcritos e posteriormente traduzidos, formando-se as enzimas necessárias ao metabolismo da lactose.

Regulação da Expressão Génica

• A lactose funciona como indutor, pois a sua presença permite ativar o operão;
• Operão lactose é um operão indutível;
• Baixa concentração de lactose: a lactose desliga-se do repressor, que fica ativo e liga-se ao operador, bloqueando a transcrição;

Operão Triptofano

É formado por 5 genes estruturais que codificam as enzimas necessárias à síntese do aminoácido triptofano, associados a um promotor e a um operador.

Triptofano ausente: quando a concentração intracelular de triptofano está baixa, as enzimas necessárias à sua síntese são produzidas por transcrição dos genes estruturais, conduzindo a um aumento da concentração do aminoácido. Também existe uma molécula repressora, só que é produzida sob a forma inativa.

Triptofano presente: quando a concentração de triptofano atinge níveis elevados, algumas moléculas de aminoácidos ligam-se ao repressor, alterando a sua conformação e tornando-o ativo (o triptofano é um correpressor). O repressor liga-se ao operador, bloqueando a transcrição dos genes estruturais do operão.