RNA, Código Genético e Ciclo Celular: Biologia Molecular

Ácido Ribonucleico (RNA)

O ácido ribonucleico (RNA) também é um polímero de nucleótidos e é quimicamente muito próximo do DNA.

Importância do RNA

Grande parte dos processos biológicos que decorrem nos organismos não podem ser totalmente compreendidos se não tivermos um conhecimento detalhado do RNA. O RNA está cheio de surpresas. De facto, os vários tipos de RNA constituem uma classe altamente complexa de moléculas com uma vasta variedade de papéis ao nível celular.

Em 2006, dois prémios Nobel foram atribuídos a investigações no campo do RNA:

• O Nobel da Química foi concedido a Kornberg no estudo de fatores de transcrição do RNA.
• O Nobel da Medicina e Fisiologia foi concedido a Fire e Mello na descoberta do RNA de interferência.

O "Dogma Central da Biologia", apresentado nos anos 50, postula que a transmissão da informação genética ocorre no sentido DNA → RNA → Proteína. Desde então, numerosos estudos mostraram que o papel do RNA não se resume apenas a esta função intermediária, e que diversas moléculas de RNA têm uma função de primeira linha em vias fundamentais de regulação génica.

Código Genético

Numa célula, a informação para a sequência dos aminoácidos de cada proteína está contida nos genes, que são segmentos de DNA. A ordem dos nucleótidos de um gene determina a ordem dos aminoácidos numa proteína.

Embora a sequência de bases no DNA determine a sequência de aminoácidos na proteína, as células não usam diretamente a informação contida no DNA. É o ácido ribonucleico que estabelece a transferência da informação.

Definições do Código Genético

A informação contida no DNA, sob a forma de uma sequência nucleotídica, é copiada para o RNA mensageiro (mRNA), sendo posteriormente descodificada e traduzida ao nível dos ribossomas numa sequência de aminoácidos que constituem uma determinada proteína.

Características do Código Genético

• Universalidade do código genético.
• O código genético é redundante.
• O código genético não é ambíguo.
• O terceiro nucleótido de cada codão não é tão específico como os dois primeiros.
• O tripleto AUG tem uma dupla função (início e metionina).
• Os tripletos UAA, UAG e UGA são codões de finalização ou codões "stop".

Quantos nucleótidos são necessários para codificar os cerca de 20 aminoácidos? São necessários 3 nucleótidos.

Codão: Cada grupo de três nucleótidos do RNA mensageiro que codifica um determinado aminoácido ou o início ou o fim da síntese de proteínas tem o nome de codão.

Codogene: O codogene ou tripleto corresponde a uma sequência de 3 nucleótidos de DNA, que possuem informação genética para um determinado aminoácido.

Síntese Proteica

Componentes envolvidos: DNA; RNAm; Ribossomas; RNAt; Enzimas; Aminoácidos.

• RNAm (RNA mensageiro): Moléculas de RNA formadas no núcleo que migram para o citoplasma, transportando a mensagem contida num gene.
• Ribossomas: Constituídos por duas subunidades de tamanhos diferentes, contêm proteínas e RNA ribossómico (rRNA). É onde é lida a mensagem do RNAm.
• RNAt (RNA de transferência): Cada tRNA é específico para apenas um aminoácido e transporta esse aminoácido fixado na sua extremidade livre 3’. Existe pelo menos um RNAt para cada aminoácido.

Etapas da Síntese Proteica

As etapas são: Transcrição, Tradução e Maturação.

DNA → Transcrição → RNAm → Tradução → Polipéptido (Maturação)

Transcrição da Mensagem Genética

A informação contida em cada gene é copiada para RNA. Chama-se transcrição do DNA porque a informação é transcrita para RNAm por complementaridade de bases.

Intervenientes e Funções:

• Cadeia de DNA: Molde para síntese de RNA.
• Nucleótidos de RNA (ribonucleótidos): Matéria-prima para a síntese de RNA.
• RNA polimerase (enzima): Catalisador das reações.

Nota: Na transcrição, só uma das cadeias do DNA é utilizada como molde.

O complexo RNA polimerase fixa-se sobre uma certa sequência de DNA, desliza ao longo dela, provocando a sua abertura. A síntese de RNA a partir de nucleótidos livres faz-se na direção 5' → 3'.

Após a passagem da RNA polimerase, a molécula de DNA reconstitui-se, estabelecendo-se pontes de hidrogénio entre as bases complementares.

Nas células eucarióticas, o RNA precursor (pré-mRNA) sofre processamento, transformando-se num RNA funcional, também chamado mRNA maduro. Nos seres procariontes não ocorre processamento de RNA.

Tradução da Mensagem Genética

Neste processo, a informação genética contida no mRNA é traduzida numa sequência de aminoácidos (polipéptido), com intervenção de vários componentes. A tradução ocorre nos ribossomas.

Intervenientes e Funções:

• mRNA: Contém a informação para a síntese de proteínas.
• Aminoácidos: Moléculas básicas para a construção de proteínas.
• tRNA: Transfere os aminoácidos para os ribossomas (funciona como "intérprete" da mensagem).
• Ribossomas: Sistema de leitura onde ocorre a tradução.
• Enzimas: Catalisam as reações.
• ATP: Transfere energia para o sistema.

Principais etapas da tradução: Iniciação; Alongamento; Finalização.

1. Iniciação: A tradução inicia-se com a ligação do mRNA à subunidade menor do ribossoma, e com o reconhecimento do codão iniciador (AUG) pelo tRNA correspondente (anticodão UAC, com o aminoácido metionina - met). Em seguida estabelece-se a ligação da subunidade maior. O ribossoma está então funcional.
2. Alongamento: Esta é a fase de tradução dos codões sucessivos e da ligação dos aminoácidos (a.a). Um novo tRNA, que transporta um segundo a.a, liga-se ao segundo codão. Há formação de uma primeira ligação peptídica entre o a.a que ele transporta e a metionina. O ribossoma avança três bases. O processo repete-se ao longo do mRNA.
3. Finalização: A síntese da proteína termina quando surge no mRNA um dos codões de terminação ou stop (UGA, UAG ou UAA), pois não há tRNA correspondentes a esses codões. O último tRNA liberta-se do ribossoma, separando-se as suas subunidades (que podem depois ser reutilizadas), e a proteína é libertada, adquirindo a sua estrutura tridimensional.

Ciclo Celular e Divisão Celular

As células crescem, aumentam o seu conteúdo e depois dividem-se. O conjunto de transformações que decorrem desde a formação da célula até ao momento em que ela própria, por divisão, origina duas células-filhas constitui o Ciclo Celular. A este processo está sempre associada a replicação da informação genética.

Dividir para: Crescer; Reconstituir; Reproduzir.

Divisão Celular e Reprodução

Nos organismos unicelulares, como as bactérias ou as leveduras, cada divisão celular corresponde à reprodução.

Fases do Ciclo Celular

O ciclo celular é composto por:

Interfase

Ocorre a duplicação do material genético. É o período em que a célula não se encontra em divisão e os cromossomas estão descondensados (não podem ser visualizados ao microscópio ótico comum). Corresponde aos períodos G1, S e G2.

• Interfase G1: Biossíntese de RNA e proteínas; formação de organitos; crescimento celular. Cada cromossoma é constituído por um cromatídio. NOTA: alguns tipos de células não se dividem e permanecem paradas durante G1, numa fase conhecida como G0 (neurónios).
• Interfase S: Replicação semiconservativa do DNA. Cada cromossoma passa a ser constituído por dois cromatídeos unidos por um centrómero. Não ocorre alteração do número de cromossomas, mas a quantidade de DNA duplica.
• Interfase G2: Biossíntese de RNA e proteínas; crescimento celular. Nesta fase os centríolos encontram-se duplicados (dois pares), enquanto na fase G1 só há um par.

Fase Mitótica (Divisão Celular)

É a etapa da divisão propriamente dita, pela qual se originam duas células-filhas, caracterizada pela divisão do núcleo (cariocinese ou mitose), seguida pela divisão do citoplasma (citocinese). Decorre na divisão das células eucarióticas, formando núcleos com o mesmo número de cromossomas do núcleo inicial. Embora a mitose seja um processo contínuo, costumam distinguir-se quatro subfases: Profase, Metafase, Anafase e Telofase.

1. Profase: Etapa mais longa. A cromatina condensa, tornando-se cada vez mais grossa e curta. Os cromossomas tornam-se visíveis (constituídos por dois cromatídeos). Os centríolos migram para polos opostos. Forma-se o fuso acromático a partir de microfilamentos proteicos, com origem nos centríolos. Formam-se os ásteres. A membrana nuclear e os nucléolos desorganizam-se/desaparecem. Os cromossomas prendem-se aos filamentos do fuso acromático através dos seus centrómeros. Não ocorre alteração do teor de DNA nem do número de cromossomas.
2. Metafase: Máxima condensação dos cromossomas. Formação da placa equatorial. Os cromossomas alinham-se no plano equatorial do fuso acromático, com os centrómeros no plano, ficando os braços dos cromatídeos voltados para fora. Não ocorre alteração do teor de DNA, nem do número de cromossomas.
3. Anafase: O centrómero divide-se e os cromatídeos de cada cromossoma-mãe separam-se, originando dois cromossomas-filhos (cada um com um cromatídeo). Ocorre ascensão polar dos cromossomas-filhos. No final da anafase, cada polo da célula contém um conjunto de cromossomas iguais. O número de cromossomas não se altera, mas o teor de DNA é reduzido a metade.
4. Telofase: A membrana nuclear reorganiza-se à volta de cada conjunto de cromossomas-filhos. O fuso acromático desorganiza-se. Reaparecimento dos nucléolos. Descondensação dos cromossomas. A célula fica constituída por 2 núcleos com a mesma formação genética. Não ocorre alteração do teor de DNA, nem do número de cromossomas.

Citocinese:

• Células animais: Forma-se um anel contrátil de microfilamentos proteicos na zona do plano equatorial, que estrangula a membrana citoplasmática, separando a célula-mãe em duas células-filhas.
• Células vegetais: Ocorre sem presença de centríolos. A divisão do citoplasma ocorre de dentro para fora. Vesículas do Golgi fundem-se no fragmoplasto, originando a lamela média. As membranas das vesículas formam a nova membrana celular, e posteriormente deposita-se celulose para formar a parede celular.

Estabilidade Genética na Mitose

A auto-replicação de DNA na fase S faz com que a quantidade de DNA duplique (Q para 2Q). Na anafase ocorre a distribuição equitativa dos cromossomas (DNA) pelas células-filhas (2Q para Q), mantendo-se a quantidade Q ao longo das gerações.

Reprodução Sexuada - Meiose

Reprodução Sexuada

Ocorre a união de duas células sexuais (gâmetas) para a formação de um ovo ou zigoto. Os indivíduos das sucessivas gerações não apresentam uma uniformidade de informação genética, apresentando diferenças significativas devido à fecundação e à meiose.

Fecundação e Meiose

Fecundação: Fusão de dois gâmetas (masculino e feminino), resultando numa duplicação cromossómica. Para manter a constância do material genético da espécie, tem de ocorrer um processo de divisão nuclear que reduza o número de cromossomas para metade.

Cromossomas homólogos: Têm forma e estrutura semelhantes e são portadores de genes para os mesmos caracteres.

Células Diplóides (2n): Células cujos núcleos possuem cromossomas homólogos (ex: ovo).

Meiose

A meiose é o processo de divisão nuclear através do qual, a partir de uma célula com núcleo diploide (2n), se podem formar células com núcleo haploide (n), contendo apenas um cromossoma de cada par de cromossomas homólogos. Este mecanismo é constituído por duas divisões:

1. Divisão I (Reducional): Redução do número de cromossomas para metade, acompanhada de redução do teor de DNA. No final, formam-se duas células com n cromossomas e 2Q de DNA.
2. Divisão II (Equacional): O número de cromossomas mantém-se, mas o teor de DNA reduz-se a metade. No final, cada uma das duas células origina duas células, cada uma com n cromossomas e Q de DNA.

Divisão I

• Profase I: É a etapa mais longa (cerca de 90% do tempo global da meiose). Os cromossomas condensam. Os dois cromossomas homólogos de cada par emparelham, constituindo um bivalente (ou tétrada cromatídica, pois cada cromossoma tem dois cromatídeos). O invólucro nuclear e os nucléolos desagregam-se e constitui-se o fuso acromático.
• Emparelhamento de homólogos (Sinapse): Justaposição gene a gene entre os dois cromossomas homólogos. Durante a sinapse surgem pontos de cruzamento (pontos de quiasma). Ao nível dos quiasmas pode ocorrer quebra e troca recíproca de segmentos de cromatídeos pertencentes aos dois cromossomas homólogos, fenómeno designado por crossing-over.
• Metafase I: Os bivalentes ligam-se aos microtúbulos do fuso acromático. Os pontos de quiasma localizam-se no plano equatorial do fuso acromático e os centrómeros voltados para polos opostos. A orientação de cada par de homólogos realiza-se ao acaso.
• Anafase I: Os dois cromossomas homólogos de cada bivalente separam-se (segregação dos homólogos) e migram para polos opostos. Cada cromossoma migratório é constituído por dois cromatídeos. A migração é aleatória, gerando recombinações de cromossomas maternos e paternos.
• Telofase I: Os cromossomas tornam-se mais finos e longos nos polos. Aparece o invólucro nuclear e os nucléolos. Cada núcleo formado tem metade do número de cromossomas do núcleo diploide inicial.
• Citocinese: Em alguns casos, forma-se duas células haploides no final da divisão I.

Divisão II

A divisão II é precedida, por vezes, por uma curta interfase, mas nunca ocorre período de síntese (replicação de DNA).

1. Profase II: Os cromossomas (com dois cromatídeos) condensam. O invólucro nuclear fragmenta-se e organiza-se o fuso acromático.
2. Metafase II: Os cromossomas dispõem-se na zona equatorial do fuso acromático, com os centrómeros no plano equatorial.
3. Anafase II: Os centrómeros dividem-se, separando-se os dois cromatídeos de cada cromossoma, que passam a constituir cromossomas independentes, migrando para polos opostos.
4. Telofase II: Ao nível de cada zona polar, os cromossomas descondensam-se. Um invólucro nuclear organiza-se em volta de cada conjunto de cromossomas e surgem os nucléolos.

Citosinese: No final da divisão II formam-se quatro células haploides, independentes.

Variabilidade Genética e Ciclo de Vida

A troca de segmentos entre cromatídeos não irmãos (crossing-over) permite novas combinações de genes paternos e maternos no mesmo cromossoma. A meiose assegura a estabilidade do número de cromossomas da espécie e contribui para uma acentuada variabilidade genética na descendência da reprodução sexuada.

Ideias Chave:

• Os indivíduos originados por reprodução sexuada apresentam variabilidade genética entre si e em relação aos progenitores.
• A variabilidade genética deve-se à meiose (separação aleatória de homólogos e crossing-over) e à fecundação (união ao acaso de gâmetas com informação genética diferente).

Ciclo de Vida: Sequência de acontecimentos que se verificam na vida de um ser vivo, desde que se forma até que se reproduz. É marcado pela alternância de fases nucleares promovida pela Meiose e Fecundação:

• Haplofase: Inicia-se na meiose (formação de células haploides, n) e termina imediatamente antes da fecundação.
• Diplofase: Inicia-se com a fecundação (formando células diploides, 2n) e termina na meiose.

Diversidade de Ciclos de Vida

Os ciclos de vida são classificados pelo momento em que ocorre a meiose:

• Meiose pós-zigótica: Ocorre após a formação do zigoto. O organismo ou ciclo de vida é haplonte.
• Meiose pré-espórica: Ocorre na formação de esporos. O organismo ou ciclo de vida é haplodiplonte (Ex: maioria de algas ou plantas).
• Meiose pré-gamética: Ocorre na formação dos gâmetas. O organismo ou ciclo de vida é diplonte.