DNA, RNA e formação de proteínas

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Convite ao estudo

Caro aluno, seja bem-vindo! Apresentaremos nesta unidade o tema genética, para compreendermos alguns conceitos básicos que nos permitem entender diferentes eventos que ocorrem nos seres vivos. Por exemplo: para o funcionamento do organismo, estudamos que as proteínas são essenciais, mas quem é o responsável pela síntese de proteínas ou pela formação de moléculas e tantas outras funções que ocorrem nas células? O que faz um organismo ter características semelhantes às dos seus descendentes ou como é possível comprovar paternidade através do exame de DNA? 
A genética é uma especialidade da biologia que estuda a hereditariedade e a transmissão de características entre gerações dos organismos. Esta ciência estuda os genes, ou seja, o material genético que contém as informações que determinam as características dos organismos. 
Durante a divisão celular, nos processos de mitose e meiose, vimos que o material genético é replicado e distribuído às novas células-filhas geradas e qualquer alteração que ocorra durante a replicação do material genético, ou qualquer mutação que possa ocorrer de forma induzida ou espontânea, altera o código genético do organismo, podendo produzir novas características aos portadores da mutação, incluindo inúmeras doenças genéticas, como o câncer, diabetes, anemia falciforme e algumas síndromes, síndrome de Down, síndrome de Klinefelter, dentre outras. O estudo da genética não só nos permite compreender todos estes fenômenos, como as pesquisas nesta área permitem o avanço constante no desenvolvimento de inúmeras tecnologias na prevenção e no tratamento de doenças, incluindo a produção de medicamentos. 
Nesta unidade introdutória à genética, abordaremos como classificar e identificar o processo de formação das proteínas e conheceremos o conjunto de fundamentos que nos permite compreender o mecanismo de transmissão do material genético de uma geração para a outra. Ao final dela, você será capaz de definir os conceitos de DNA, RNA e cromossomos, explicar como como ocorre a síntese de proteínas e as estruturas envolvidas nesse processo. Saberá identificar e diferenciar as leis de Mendel e compreender as heranças genéticas, como surgem as doenças genéticas e até mesmo como elas podem ser evitadas por meio do aconselhamento genético.
Iniciaremos a Seção 3.1 abordando alguns conceitos básicos de genética, importante para compreendermos os processos a serem estudados. Caracterizaremos a estrutura do nosso material genético e como ele está organizado dentro das células. Na Seção 3.2, serão abordadas as leis de Mendel, que explicam os fundamentos da transmissão hereditária através das gerações. Finalizaremos com a Seção 3.3, compreendendo as interferências nos mecanismos e os erros inatos do metabolismo, que acabam provocando distúrbios de herança monogênica e o câncer, além da importância do aconselhamento genético.
Vamos conhecer um pouco mais sobre o material genético, a sua importância e funcionalidade, visto que este componente está presente em todas as células dos seres vivos. 
Bons estudos!

Praticar para aprender

O corpo humano é composto por trilhões de células, cada uma com uma função específica, trabalhando em conjunto para o funcionamento do corpo. As células do nosso corpo possuem um conjunto de organelas e estruturas que são capazes de cuidar da proteção, da nutrição, da produção de energia e da reprodução do nosso corpo, sendo consideradas as unidades fundamentais da vida. Todos os seres vivos são compostos por células e todas as células, sejam elas procariontes ou eucariontes, têm material genético.
Caro aluno, você já parou para pensar que durante a divisão celular e a reprodução dos seres vivos ocorre a troca de materiais genéticos e que cada célula do corpo humano é composta por cerca de 25 mil genes? Os genes são considerados a unidade fundamental da hereditariedade. Mas o isso significa? O que é um gene? Qual é a diferença entre o cromossomo e o DNA? Não são todos materiais genéticos? As respostas para essas perguntas serão dadas ao longo dos conteúdos trabalhados nesta seção. 
Estudaremos os conceitos de gene, a estrutura do cromossomo e do DNA, identificaremos as diferenças entre a molécula de DNA e RNA e como está organizado o material genético nas células. Aprenderemos como acontece a replicação do DNA, processo importante que ocorre durante a divisão celular em que o material genético é dividido de forma igual entre as células-filhas, podendo estas conter o material genético idêntico à célula mãe (mitose) ou apenas metade do material genético da célula-mãe (meiose), o que é importante para a variabilidade das espécies. Conheceremos o processo completo da formação das proteínas, desde a transcrição da molécula de DNA em RNA até a tradução do RNA mensageiro pelos ribossomos formando uma proteína. As proteínas são essenciais para a manutenção das células, crescimento celular e em suas atividades, como na produção de hormônios, enzimas, anticorpos, transporte de substâncias, dentre outras. 
Esta seção traz conhecimentos básicos para o estudo da genética, que serão essenciais para o entendimento dos próximos temas. 

Hoje, graças aos avanços na área médica, é possível identificar diferentes tipos de alterações na arquitetura do nosso genoma por meio de exames. Ainda assim, de acordo com a Organização Mundial de Saúde (OMS), das famílias com doenças raras no mundo hoje, 80% têm causas genéticas. O desafio, então, é fazer um diagnóstico rápido.
Existem clínicas especializadas em orientar pacientes e seus familiares sobre os riscos de ocorrência de doenças genéticas na família. Essas clínicas são muito procuradas por casais que pensam em ter filhos, mas têm histórico de doenças genéticas na família, cânceres, casos de infertilidade ou abortos de repetição e sabe haver alta probabilidade de transmitirem algum tipo de patologia ou malformação aos filhos.
Para auxiliar na contextualização de sua aprendizagem diante dos temas que serão abordados nesta seção, junto de uma possibilidade de prática profissional, vamos acompanhar a história de um casal, que já tem dois filhos e pretende ter mais um, no entanto, foram encaminhados a buscar auxílio médico por meio do aconselhamento genético.
O casal procurou por uma clínica renomada na cidade, que realiza consultas e aconselhamento genético, com profissionais altamente capacitados e habilitados para atender pacientes e familiares com histórico de doenças genéticas. Além de contar com um laboratório de genômica com recursos tecnológicos de última geração, os quais permitem um diagnóstico assertivo. 
A mulher tem 35 anos, olhos verdes e cabelos castanho-claros e lisos, aparentemente normal, teve dois filhos com o seu marido, de 38 anos, que tem olhos castanhos e cabelos castanhos e lisos, é daltônico. A primeira filha do casal, com 6 anos, é loira e tem o cabelo encaracolado, os olhos azuis e é aparentemente normal. No entanto, o segundo filho do casal é pessoa com Síndrome de Down, tem 3 anos, tem olhos castanhos e cabelos lisos e castanhos. O casal quer ter mais um filho, mas por possuírem histórico de anomalias genéticas na família, resolveu investigar as probabilidades de terem uma gestação normal. 
Você trabalha nessa clínica e faz parte de uma equipe composta por médicos geneticistas, especialistas em biologia molecular, citogenética e bioinformatas e ficou responsável pelo acompanhamento do casal. 
Como você explicaria ao casal a importância de fazer um mapeamento genético de ambos para verificar o cariótipo de cada um deles? E como você pode explicar as diferenças existentes no genótipo e fenótipo do casal e de seus filhos? 
Nós, seres humanos, somos uma mistura dos nossos pais, do meio em que nascemos e vivemos, e da nossa cultura. O que nos faz refletir a respeito da hereditariedade da vida, mas qual seria a relação? Vamos compreendê-la juntos.

conceito-chave

Depois de compreendermos a constituição dos organismos vivos formados por uma ou milhares de células, como estas estão organizadas, a estrutura e o funcionamento delas, chegou a hora de estudarmos o material genético, componente de todos os organismos, que contempla a constituição genética do indivíduo. Mas o que isso significa? Vimos que as células têm material genético (DNA) que transmite características aos seus descendentes. A partir da expressão gênica, vimos que além de controlar diversos processos, incluindo o ciclo celular, as células são diferenciadas e realizam funções distintas, mas também há características perceptíveis aos nossos olhos, como a cor das flores, dos olhos, dos cabelos. 
Para iniciarmos os nossos estudos de genética, precisamos primeiramente compreender os conceitos de gene e o de cromossomos, os quais são imprescindíveis nesse contexto. 

Conceito de gene e estrutura do cromossomo

Afinal o que é um gene? Um gene é um segmento do DNA (ácido desoxirribonucleico) que contém a informação necessária para a produção de uma proteína específica (código), que poderá ser utilizada em um ou mais tipos de células. Você se lembra que para a produção de uma proteína é necessário haver a leitura do código de uma molécula de RNA mensageiro (mRNA)? Então, os genes são os responsáveis por conter as informações do DNA e fazer a produção de síntese de moléculas de RNA. As moléculas de mRNA são direcionadas para o citosol da célula e lá se ligam aos ribossomos para fazer a síntese de proteínas. Mas não são todos os genes que codificam proteínas (polipeptídios ou cadeias de aminoácidos), alguns fornecem informações para a construção de moléculas de RNA, como os RNA transportadores (tRNA) e RNA ribossômico (rRNA).
Assim como a célula é a unidade fundamental da vida, o gene é considerado a unidade fundamental da hereditariedade. Um organismo pluricelular é constituído de muitos genes, todas as suas células têm os genes iguais, o que as diferencia, como vimos na diferenciação celular, é que os genes podem ser ativados ou desativados e, em alguns casos, permanecem ativados o tempo todo, por serem fundamentais para realizar as atividades da célula. Os genes estão localizados dentro dos cromossomos, em um lugar chamado locus gênico. 
É importante saber que os genes nem sempre se apresentam iguais quando determinam uma mesma característica e estas formas alternativas são conhecidas por alelos. Desse modo, os alelos podem determinar a mesma característica em um indivíduo de maneiras diferentes, já que um gene pode ter alelos diferentes decorrentes de modificações ou pequenas mutações ocorridas em algumas partes do DNA. Em um indivíduo, a sua constituição genética, formada por um conjunto de genes que não podem ser modificados naturalmente, é denominada genótipo, enquanto as características mensuráveis e visíveis, que podem ser modificadas, são denominadas fenótipo. 

Para que cada característica do nosso corpo seja expressa, temos duas cópias de um gene (alelos) que podem dominantes (a presença de um único alelo é capaz de expressar determinada característica) ou recessivo (a característica somente é expressa com os pares de alelos). Veremos com mais detalhes quando estudarmos a transmissão e expressão destes genes através das leis de Mendel.
Durante a divisão celular a todo instante mencionamos os cromossomos, a sua movimentação no processo de mitose e meiose, o seu grau máximo de condensação e quando se encontra descondensado, mas como podemos explicar o que são os cromossomos? E se os genes estão dentro deles, qual é a sua estrutura? Os cromossomos são estruturas constituídas por uma molécula de DNA associadas a proteínas, formadas por um complexo conhecido por cromatina. Quando os filamentos do DNA e as proteínas estão soltos são as cromatinas e quando estas se unem, enroladas ou em forma de “X”, são denominadas cromossomos. E um cromossomo é dividido em cromátides (2), assim, cada cromátide é um pedaço do cromossomo. Alguns cromossomos são chamados ainda de cromossomos homólogos, dispostos em pares, isto significa que durante a divisão celular os pares de cromossomos herdados dos pais possuem informação genética semelhante. 
Em um cromossomo estão presentes milhares de genes diferentes, que determinam diferentes características e a frequência em que elas aparecem.

Os centrômeros podem ser classificados em: metacêntrico (o centrômero se encontra na posição mediana), submetacêntrico (o centrômero se encontra deslocado para um dos braços do cromossomo), acrocêntrico (o centrômero se encontra próximo da extremidade) e telocêntrico (o centrômero se encontra muito próximo à extremidade, parecendo que o cromossomo possui um braço único braço), conforme a Figura 3.2.

Organização do material genético

Sabemos que a maioria dos genes está presente dentro dos cromossomos e que uma célula humana tem cerca de 25 mil genes (INSTITUTO ONCOGÊNESE, 2015). Mas como está organizado este material genético nos organismos? O conjunto de genes de um ser vivo é caracterizado pela sequência completa da molécula de DNA, denominado genoma. O estudo do genoma permite não só conhecer a anatomia molecular de um indivíduo e sua espécie, como também possibilitar o estudo e diagnóstico de doenças, síndromes, criação de medicamentos, técnicas de terapia gênica, testes genéticos, compreender o processo evolutivo, fornecendo diversas respostas ao campo da ciência. 
Os cromossomos de uma espécie têm aspecto e número de cromossomos característicos. Nos seres humanos observamos 23 pares de cromossomos (total de 46 cromossomos), sendo 22 pares de cromossomos autossomos (não sexuais), e um par de cromossomos sexuais ou alossômicos (representados por XX as fêmeas e XY os machos). Nas células somáticas humanas, em cada célula, podemos observar a presença de 46 cromossomos, dizemos que elas são diploides (2n), ou seja, têm dois cromossomos homólogos. Já as células germinativas (sexuais), são ditas haploides (n), pois têm apenas um cromossomo, não há cromossomos homólogos e são compostas por um total de 23 cromossomos, para que após a fecundação seja reestabelecido o número de cromossomos humanos, totalizando 46 cromossomos.

O genoma está localizado em maior quantidade nos núcleos das células dos organismos eucariontes, mas também aparece nas mitocôndrias e cloroplastos das células vegetais. O DNA tem formato linear e aparece em grande número nos organismos eucariontes, onde são encontradas também proteínas histonas, importantes para a regulação dos genes; nos procariontes, a molécula do DNA é única e circular e graças à ausência de núcleo, o DNA está disperso no citoplasma.

Vamos entender como funciona a estrutura do DNA? Assim poderemos compreender o que são as bases nitrogenadas que não foram sequenciadas no Projeto Genoma Humano.

Estrutura do DNA

A estrutura da molécula de DNA (ácido desoxirribonucleico) e o seu mecanismo foram descritos em 1953 por James Watson e Francis Frick e esta é considerada uma importante descoberta para a ciência. O modelo proposto por eles considera a molécula de DNA em formato de dupla-hélice, constituída por dois filamentos longos (cadeias de polinucleotídicas), enrolados em formato semelhante a um espiral. Os dois filamentos em formato de dupla-hélice se mantêm unidos pelas pontes de hidrogênio entre as bases de nucleotídeos. No caso, os nucleotídeos são compostos de açúcares, um ou mais grupo fosfato e uma base nitrogenada. No DNA, o açúcar dos nucleotídeos é uma desoxirribose ligada a um único grupo fosfato. As bases nitrogenadas podem ser: purinas – adenina (A) e guanina (G), ou pirimidinas – citosina (C) e timina (T). As bases nitrogenadas estão pareadas de forma complementar e o pareamento entre as bases na molécula de DNA sempre será de (A) com (T) e (C) com (G). As duas cadeias de nucleotídeos devem estar em posição antiparalela (com as polaridades opostas) ou polaridade inversa. Um filamento de nucleotídeo através de uma ligação covalente liga a extremidade 5´ com fosfato livre de uma fita com a extremidade 3` da fita adjacente, com hidroxila livre, denominada ligação açúcar-fosfato com polaridade 5´para 3´. Uma fita de DNA é complementar a outra, desta forma possuem duas fitas com uma sequência de nucleotídeos com sequências nucleotídicas complementares. 
Na molécula de DNA, o pareamento das fitas é feito entre as bases purinas e pirimidinas. Desta forma, sempre uma adenina será pareada com uma timina e sempre uma citocina será pareada com uma guanina. 

O modelo da estrutura do DNA permitiu a compreensão de muitos aspectos em relação ao DNA, por exemplo, como esta molécula pode ser copiada e como a célula utiliza as informações do material genético para a produção de proteínas, conforme veremos a seguir.

Replicação do DNA e síntese de proteínas

Todos os organismos vivos têm material genético e durante o seu ciclo celular, mais precisamente durante a fase S da interfase, duplicam o seu DNA para dar origem a células-filhas. Vamos entender como este processo funciona nos organismos eucariontes?
Para que o DNA seja replicado é necessário a separação da dupla-hélice formadora da molécula de DNA em duas fitas-molde, com auxílio da enzima helicase de DNA, formando uma espécie de forquilha. Para que ocorra a síntese de novas fitas, são adicionados indicadores conhecidos como primers, que conduzem a síntese da fita. Os nucleotídeos das fitas-moldes precisam ser pareados por nucleotídeos complementares livres (que ainda não foram polimerizados), para serem incorporados à nova fita. A polimerização desta nova fita é catalisada pela enzima DNA-polimerase, que polimeriza nucleotídeos utilizando como molde uma fita simples de DNA. Com isso, cada molécula de DNA tem duas fitas que servirão de molde para a formação de duas novas moléculas de DNA (compostas por uma fita da célula original e uma nova fita replicada), que serão destinadas às células-filhas. Este processo é conhecido como replicação semiconservativa. As fitas novas de DNA, recém-sintetizadas, reestabelecem as ligações fosfodiéster entre os nucleotídeos com o auxílio da enzima DNA-ligase. As novas moléculas de DNA, idênticas à célula-mãe são sempre polimerizadas na direção das extremidades 5´ para a extremidade 3´.

Você deve estar se perguntando como a molécula de DNA está envolvida na síntese de proteínas, certo? O DNA não controla diretamente a síntese de proteínas, ele utiliza o RNA (ácido ribonucleico) como intermediário. Sendo assim, quando uma célula requer uma proteína específica, a molécula de DNA é inicialmente copiada sob a forma de RNA, processo conhecido como transcrição. Estas cópias de RNA são utilizadas como moldes para a síntese da proteína, processo denominado tradução. O fluxo da informação genética nas células segue de uma molécula de DNA para uma molécula de RNA e, consequentemente, a formação de uma proteína. Este fluxo ocorre em todas as células e é conhecido como dogma central da biologia molecular.
A transcrição ocorre no núcleo das células eucariontes e em alguns casos nas mitocôndrias e nos cloroplastos (organelas com capacidade genética, além do núcleo). O processo de transcrição ocorre de forma semelhante à replicação do DNA, no entanto, o resultado é uma molécula de RNA e a enzima que atua na transcrição é a RNA polimerase. O RNA é composto pelas bases nitrogenadas adenina, guanina, citosina e uracila (U), esta última é inserida no lugar da timina, presente na molécula de DNA. A fita de RNA é simples e ao ser transcrita, no lugar do pareamento das bases A+T, no RNA ocorre o pareamento das bases A+U. A molécula formada será um RNA mensageiro (mRNA), que contém a sequência de nucleotídeos que será lida pelos ribossomos e traduzida em uma sequência de aminoácidos (proteína). 

A molécula de DNA forma a fita do mRNA que será traduzida pelo ribossomo e irá sintetizar uma proteína. A tradução do mRNA é feita pelo RNA transportador (tRNA), que traduz códons (trincas de nucleotídeos) presentes no mRNA em um aminoácido. Este processo ocorre no citoplasma e somente é iniciado quando é encontrado um códon específico, AUG, que dá início a síntese de proteínas. Durante a tradução, os códons são lidos da extremidade 5´ para a extremidade 3´ pelos tRNA. Os RNAs transportadores possuem um anticódon que se liga ao códon do mRNA correspondente, através do pareamento de bases. Os tRNA preenchem com os seus aminoácidos a cadeia de polipeptídios que vai sendo formada no ribossomo, até que a sequência de códons no mRNA seja UAA, UAG ou UGA, indicando o fim da tradução e a liberação da proteína ou em alguns casos da cadeia de polipeptídio que precisa sofrer algumas edições antes de se tornar uma proteína ativa.
Cada códon tem quatro nucleotídeos repetidos, desta forma em 20 aminoácidos podemos encontrar 64 possibilidades de códons. O código genético é formado por trincas de bases de códons, sendo universal, assim, em todos os organismos vivos os mesmos códons determinam os mesmos aminoácidos. É no código genético que são encontradas todas as informações para o desenvolvimento e funcionamento dos organismos, uma vez que são capazes de passar informações genéticas de um indivíduo a outro e fazer a síntese de proteínas, essenciais para a vida e o funcionamento das células.

Faça a valer a pena