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GENETICA -DNA-FARMÁCIA BIOLOGIA MOLECULAR
Tipologia: Esquemas
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@biomedicina_descomplicada biomedicinadescomplicada@gmail.com
Com certeza você ouvir falar muito sobre o tema genética, que para muitos soa como um ramo de conhecimento incompreensível, complicado e complexo, para outros a genética chama atenção por ser uma ciência cheia de mistérios a se desvendar e a base de diversas áreas da biologia. Mas será que a genética é uma ramificação da biologia realmente cheia de segredos? É isso que vamos descobrir ao longo da nossa aula de genética. Vamos conhecer várias esferas da genética, começando por sua definição e por uma viagem ao passado, para enfim descobrirmos da onde vem essa ciência e os passos que levaram ao conhecimento adquirido até os dias atuais. A Genética é um campo da biologia que estuda a hereditariedade, ou seja, a informação das características que são passadas de geração para geração e as variações na informação contida no DNA que também são transmitiras para a descendência. Hereditariedade define a informação genética (transmissão de caracteres) recebida dos nossos antepassados, onde inclui: características físicas, psicológicas, emocionais e além de outros, a pré-disposição para desenvolver uma determinada doença. Gene , é um pedaço de DNA que condiciona um caractere de uma espécie. Os genes são estruturas hereditárias presentes nos cromossomos das células, sendo que cada cromossomo corresponde a um filamento de DNA. Assim, consideramos um gene aquele pedaço de DNA que é capaz de determinar a síntese de uma ou mais proteínas a partir do dogma central da biologia: DNA – RNAm – PROTEÍNA. Genes alelos são variações específicas de um gene que se encontra na mesma região cromossômica nos dois cromossomos (materno e paterno). Os genes alelos são diferentes tipos do mesmo gene que conduz a uma variação da característica. Genótipo (do grego genos , originar, provir, e typos , característica) é o nome que se refere à constituição genética do indivíduo , ou seja, aos genes que ele possui. Estamos nos referindo ao genótipo quando dizemos, por exemplo, que uma planta de ervilha é homozigota dominante (VV) ou heterozigota (Vv) em relação à cor da semente. Fenótipo (do grego pheno, evidente, brilhante, e typos, característico) é o nome empregado para designar as características apresentadas por um indivíduo, sejam elas morfológicas, fisiológicas e comportamentais, resultado da interação do genótipo com o meio em que o indivíduo se encontra. Um ou ambos os alelos do genótipo serão responsáveis por determinar a síntese de proteínas que, em interação com o ambiente, determinarão o fenótipo (forma, cor, altura, etc.). Nucleotídeos são as unidades que foram a estrutura do DNA ou RNA. Os nucleotídeos são formados por três moléculas: ➢ Base nitrogenada: Bases purinas adenina (A) e guanina (G) e as bases pirimidinas citosina (C), uracila (U) e timina (T). ➢ Grupo fosfato (HPO4): Grupo químico derivado do ácido fosfórico. A única porção que não varia no nucleotídeo. ➢ Pentose: Um açúcar de 5 carbonos. No DNA temos a desoxirribose e no RNA temos a ribose. O DNA , também chamado de ácido desoxirribonucleico é um composto de origem orgânica cuja função é armazenar a informação genética por meio de um ‘alfabeto genômico’ composto por quatro letras (C, G, A e T), que organizadas paralelamente constitui uma sequência específica do genoma. O DNA se encontra armazenado no interior da célula em dois lugares propriamente: no núcleo da célula, envolvido por uma membrana cujo o nome é carioteca e no interior da mitocôndria, que recebe um nome específico de DNA mitocondrial. Os ácidos nucleicos são formados por unidades repetidas dos nucleotídeos. Assim, eles são constituídos por nucleotídeos. Em nossas células existem dois tipos de ácidos nucleicos, o DNA e o RNA.
2.2 Pesquisa sobre hereditariedade Em 1856, Mendel iniciou um projeto de pesquisa de uma década para investigar padrões de herança. Apesar de ter começado sua pesquisa usando ratos, ele posteriormente mudou para abelhas e plantas, decidindo-se por fim pelas ervilhas de jardim como seu sistema modelo primário^2 2 squared. Um sistema modelo é um organismo que torna mais fácil para o pesquisador investigar uma questão científica particular, como a maneira pela qual as características são herdadas. Estudando um sistema modelo, pesquisadores podem aprender princípios gerais que aplicam-se a outros organismos ou sistemas biológicos mais difíceis de investigar, tais como seres humanos. Mendel estudou a herança de sete características diferentes em ervilhas, incluindo altura, cor da flor, cor da semente e formato da semente. Para fazer isso, ele primeiro estabeleceu linhagens de ervilhas com duas diferentes formas de uma característica, tal como alta vs. baixa. Ele cultivou estas linhagens por algumas gerações até que elas fossem puras (sempre produzindo descendentes idênticos aos genitores), então cruzou-as entre si e observou como as características eram herdadas. Além de registrar a aparência das plantas de cada geração, Mendel contava o número exato de plantas que mostravam determinada característica. Notavelmente, ele encontrou padrões de herança muito similares para todas as sete características que ele estudou:
2.6 A lei da variação independente A lei da segregação permite-nos predizer como uma única característica associada a um único gene é herdada. Em alguns casos, no entanto, nós podemos querer predizer a herança de duas características associadas a dois genes diferentes. A lei da segregação independente de Mendel afirma que os alelos de dois (ou mais) genes diferentes são distribuídos para os gametas independentemente um do outro. Em outras palavras, o alelo que um gameta recebe para um gene não influencia o alelo recebido por outro gene. Imagine que cruzemos duas linhagens puras de ervilhas: uma com sementes amarelas redondas ( YYRR ), e uma com sementes verdes enrugadas ( yyrr ). Como cada genitor é homozigoto, a lei da segregação nos diz que os gametas produzidos pela planta de sementes verdes enrugadas são todos ry , e os gametas produzidos pela planta de sementes redondas, amarelas são todos RY. Isso nos fornece descendentes F1, que são todos RrYy. A caixa com quatro divisões mostrada para a geração F é conhecida como um quadro de Punnett. Parar preparar um quadro de Punnett, todos os possíveis gametas produzidos pelos pais são escritos na parte superior (para o pai) e na lateral (para a mãe) de uma grade. Aqui, uma vez que está representada uma autofertilização, a mesma planta é pai e mãe. As combinações entre um óvulo e um espermatozoide são então feitas nos quadrados internos da tabela, representando a fertilização para originar novos indivíduos. Uma vez que cada quadrado representa um evento igualmente provável, nós podemos determinar as proporções de genótipos e fenótipos contando os quadrados. Imagem modificada de "Laws of inheritance: Figure 5 ," de Robert Bear et al., OpenStax, CC BY 4,
O alelo que especifica cor amarela de semente é dominante sobre o alelo que especifica cor verde e o alelo que especifica forma redonda é dominante sobre o alelo para forma enrugada, como indicado pelas letras maiúsculas e minúsculas. Isto significa que as plantas F 1 são todas amarelas e redondas. Por serem heterozigotas para os dois genes, as plantas F chamadas diíbridas (di- = dois, - híbrida = heterozigota). Um cruzamento entre dois diíbridos (ou, equivalentemente, a auto-fertilização de um diíbrido) é conhecido como um cruzamento diíbrido. Quando Mendel fez este cruzamento e viu a descendência, ele descobriu que havia quatro categorias diferentes de sementes de ervilha: amarelas e redondas, amarelo e enrugada, verde e redonda e verde e enrugada. Estas categorias de fenótipos (categoria definida pelos tratos observacionais) apareceram numa razão de aproximadamente 9:3:3:1. Esta razão foi a pista chave que levou Mendel à lei de segregação independente. Isto porque a razão 9:3:3: 1 é exatamente o que esperaríamos ver se a planta F 1 tivesse os quatro tipos de gametas (esperma e óvulos) com igual frequência: YR, Yr, yR, e yr. Em outras palavras, este é o resultado que preveríamos se cada gameta aleatoriamente tivesse um alelo Y ou y, e, num processo separado, também aleatoriamente tivesse um alelo R ou r (fazendo quatro combinações igualmente prováveis). Podemos confirmar a ligação entre os quatro tipos de gametas e a razão 9:3:3: 1 usando o quadro de Punnett acima. Para fazer o quadro, primeiro colocamos os quatro tipos de gametas igualmente prováveis ao longo de cada eixo. Então, juntamos os gametas nos eixos nas caixas do gráfico, representando os eventos de fertilização. Os 16 eventos de fertilização de igual probabilidade que podem ocorrer entre os gametas são mostrados Créditos da imagem: "Laws of inheritance: Figure 2 ," por OpenStax College, Biology, CC BY 4,0.
medicina. Infelizmente, a essa altura Franklin já havia morrido, e os prêmios Nobel não são concedidos a título póstumo.
A estrutura do DNA, como representada no modelo de Watson e Crick, é uma hélice de dupla fita, antiparalela, para a direita. Os esqueletos de açúcar-fosfato das fitas de DNA constituem o exterior da hélice, enquanto as bases nitrogenadas são encontradas no interior e formam pares ligados por ligações de hidrogênio que mantêm as fitas de DNA juntas. No modelo abaixo, os átomos laranja e vermelho marcam os fosfatos dos esqueletos de açúcar- fosfato, enquanto os átomos azuis no interior da hélice pertencem às bases nitrogenadas.
No modelo de Watson e Crick, as duas fitas da dupla hélice de DNA são mantidas juntas por ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas nas fitas opostas. Cada par de bases fica plano, formando um "degrau" da escada da molécula de DNA. Pares de base não são feitos de qualquer combinação de bases. Em vez disso, se há um A em uma fita, ele deve ser pareado com um T na outra (e vice-versa). Similarmente, um G encontrado em uma fita, deve sempre ter um C como parceiro na fita oposta. Essas associações A-T e G-C são conhecidas como pares de base complementares.
O DNA de fita dupla é uma molécula antiparalela , ou seja, é composta de duas fitas que correm lado a lado mas apontam para direções opostas. Em uma molécula de DNA de fita dupla, a extremidade 5' (com fostato livre) de uma fita se alinha com a extremidade 3' (com hidroxila livre) de sua parceira, e vice-versa.
O pareamento de bases explica as regras de Chargaff , ou seja, porque a composição de A é sempre igual a de T, e a composição de C se iguala a de G. Onde há um A em uma fita, deve haver um T na outra, e o mesmo é verdade para G e C. Porque uma grande purina (A ou G) é sempre pareada com uma pequena piridimina (T ou C), o diâmetro da hélice é uniforme, chegando a cerca de 2 nanômetros. Apesar do modelo original de Watson e Crick propor que haveriam duas ligações de hidrogênio entre as bases de cada par, sabemos hoje que G e C formam uma ligação adicional (de forma que os pares A-T formam duas ligações de hidrogênio, enquanto pares G-C formam três. Os três requisitos básicos para uma molécula servir como material genético são: 1) Capacidade de armazenar informação genética sob uma forma estável e de transferir esta informação a todas as partes da célula; 2) Capacidade de duplicar com precisão a informação e transferi-la às outras células durante a divisão celular; e 3) Capacidade de sofrer variações, sob a forma de mutações. As principais candidatas lançadas inicialmente pelos pesquisadores foram o DNA, o RNA e as proteínas. 3.1 Estrutura dos ácidos nucléicos: DNA e RNA O ácido nucleico é uma molécula responsável guardar e transmitir informação. Existem dois tipos de ácidos nucleicos: o DNA e o RNA. É no DNA que estão os genes. Cada gene tem informação para produzir um RNA. Por sua vez, o RNA tem as informações para construir as proteínas. O DNA (ácido desoxirribonucléico) é formado por unidades de ácido fosfórico, desoxirribose (açúcar de 5 C) e pelas bases nitrogenadas adenina (A), guanina (G), timina (T) e citosina (C). A e G pertencem ao grupo das purinas e T e C ao grupo das pirimidinas. A unidade formada por uma molécula de açúcar, uma de ácido fosfórico e uma base nitrogenada recebe o nome de nucleotídeo (desoxirribonucleotideo por ser do DNA). Os nucleotídeos estão ligados através do ácido fosfórico e do carbono 5 da desoxirribose, formando cadeias. Duas cadeias se complementam através do pareamento entre A = T e C G. Esse pareamento entre purinas e pirimidinas ocorre através de pontes de hidrogênio. Para haver um correto pareamento as cadeias são antiparalelas. A informação genética está na sequência de bases nitrogenadas do DNA. O RNA (ácido ribonucléico) possui estrutura parecida com o DNA, exceto no açúcar que é a ribose, na ocorrência da base nitrogenada uracila (U) no lugar da timina (T) e na estrutura de cadeia única ao invés de cadeias duplas pareadas. Os tipos de RNA que ocorrem são o mensageiro (mRNA), ribossômico (rRNA), transportador (tRNA) e pequenos RNAs nucleares. Arranjo do material genético Nos procariotos ocorre um DNA circular, livre de complexos enzimáticos, no nucleoplasma da célula, enquanto nos eucariontes o DNA (em quantidade bem maior) está organizado nos cromossomos, complexado com proteínas histônicas.
pode conter dezenas de milhares de genes , cada um provendo instruções de como fazer um produto específico que a célula precisa. 3.4 Do DNA para RNA, do RNA para proteínas Muitos genes codificam produtos proteicos, isto é, especificam a sequência de aminoácidos utilizada para construir uma proteína em particular. Antes que essa informação possa ser utilizada para a síntese de proteínas, no entanto, uma cópia de RNA (resultante da transcrição) do gene deve ser feita em primeiro lugar. Esse tipo de RNA é chamado de RNA mensageiro ( RNAm ), por servir como mensageiro entre o DNA e os ribossomos, máquinas moleculares que leem as sequências de RNAm e as utilizam para construir proteínas. Essa progressão de DNA para RNA para proteína é chamada de "dogma central" da biologia molecular. É importante observar que nem todos os genes codificam produtos proteicos. Por exemplo, alguns genes especificam RNAs ribossômicos ( RNAr ), que servem como componentes estruturais de ribossomos, ou RNAs transportadores ( RNAt ), moléculas de RNA em forma de trevo que trazem aminoácidos aos ribossomos para a síntese proteica. Ainda outras moléculas de RNA, como pequenos microRNAs ( miRNA ), agem como reguladores de outros genes, e novos tipos de RNAs não-codificadores de proteínas estão sendo descobertos o tempo todo. 3.5 Nucleotídeos DNA e RNA são polímeros (no caso do DNA, geralmente polímeros muito longos), e são feitos de monômeros conhecidos como nucleotídeos. Quando esses monômeros se combinam, a cadeia resultante é chamada de polinucleotídeo (poli- = "muitos"). Cada nucleotídeo é feito de três partes: uma estrutura anelar contendo nitrogênio chamada de base nitrogenada, um açúcar de cinco carbonos, e pelo menos um grupo fosfato. A molécula de açúcar tem uma posição central no nucleotídeo, com a base ligada a um de seus carbonos e o grupo (ou grupos) fosfato ligado a outro. Vejamos cada parte de um nucleotídeo por vez.
3.5.1 Bases nitrogenadas As bases nitrogenadas de nucleotídeos são moléculas orgânicas (com base de carbono) feitas de estruturas anelares contendo nitrogênio. Cada nucleotídeo no DNA contém uma de quatro possíveis bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), citosina(C), e timina (T). Adenina e guanina são purinas , o que significa que suas estruturas contém dois anéis de carbono- nitrogênio unidos. Citosina e timina, em contraste, são pirimidinas e têm um único anel de carbono-nitrogênio. Os nucleotídeos de RNA também podem apresentar as bases adenina, guanina e citosina., mas em vez de timina eles têm outra base pirimidina chamada uracila (U). Como mostrado na figura acima, cada base tem uma estrutura única, com seu próprio conjunto de grupos funcionais ligados à estrutura anelar. Na biologia molecular abreviada, as bases nitrogenadas geralmente são mencionadas por suas letras, A, T, G, C e U. O DNA contém A, T, G e C, enquanto o RNA contém A, U, G e C (isto é, o U é colocado no lugar do T). 3.5.2 Açúcares Além de terem conjuntos de bases ligeiramente diferentes, os nucleotídeos de DNA e RNA tem açúcares ligeiramente diferentes. O açúcar de cinco carbonos no DNA é chamado de desoxirribose , enquanto que no RNA, o açúcar é ribose. Esses dois são muito similares na estrutura, com apenas uma diferença: o segundo carbono da ribose liga-se a um grupo hidroxila, enquanto o carbono equivalente da desoxirribose tem um hidrogênio. Os átomos de carbono de uma molécula de açúcar de nucleotídeo são numerados como 1', 2', 3', 4', e 5' (1' é lido como "um linha"), como mostrado na figura acima. Num nucleotídeo, o açúcar ocupa uma posição central, com a base ligada a seu carbono 1' e o grupo (ou grupos) fosfato ligado(s) ao carbono 5'. 3.5.3 Fosfato Os nucleotídeos podem ter um único grupo fosfato, ou uma cadeia de até três grupos fosfato, ligados ao carbono 5' do açúcar. Algumas fontes, em química, utilizam o termo "nucleotídeo" apenas para o caso de fosfato único, mas na biologia molecular, a definição mais ampla é geralmente aceita^11start superscript, 1, end superscript Em uma célula, um nucleotídeo prestes a ser adicionado ao final de uma cadeia de polinucleotídeos estará ligado a uma série de três grupos fosfato. Quando o nucleotídeo se junta a cadeia crescente de DNA ou RNA, perde dois grupos fosfato. Portanto, em uma cadeia de DNA ou RNA, cada nucleotídeo tem apenas um grupo fosfato. 3.6 Propriedades do DNA As cadeias de ácido desoxirribonucleico, ou DNA, são tipicamente encontradas em uma dupla hélice, uma estrutura na qual duas cadeias correspondentes (complementares) estão ligadas, como mostrado no diagrama à esquerda. Os açúcares e fosfatos localizam-se na parte externa da hélice, formando o arcabouço do DNA; esta porçao da molécula é algumas vezes chamada de esqueleto de açúcar-fosfato. As bases nitrogenadas se estendem para o interior, como os degraus de uma escada, em pares; as bases de um par se unem entre si por ligações de hidrogênio.
3.7 Propriedades do RNA O ácido ribonucleico (RNA), diferente do DNA, é geralmente de fita única. Um nucleotídeo em uma cadeia de RNA conterá ribose (o açúcar de cinco carbonos), uma das quatro bases nitrogenadas (A, U, G ou C), e um grupo fosfato. Aqui, olharemos os quatro tipos principais de RNA: RNA mensageiro (RNAm), RNA ribossômico (RNAr), RNA transportador (RNAt) e RNAs reguladores. 3.7.1 RNA mensageiro (RNAm) RNA mensageiro ( RNAm ) é um intermediário entre um gene codificador de proteína e seu produto proteico. Se uma célula precisa fazer uma proteína em especial, o gene codificador da proteína será "ligado", isto é, uma enzima RNA polimerase virá e fará uma cópia de RNA, ou transcrição da sequência de DNA do gene. A cópia carrega a mesma informação da sequência de DNA de seu gene. No entanto, na molécula de RNA, a base T é substituída por U. Por exemplo, se uma fita de DNA codificadora tem a sequência 5’- AATTGCGC-3’ , a sequência do RNA correspondente será 3’-UUAACGCG-5’. Uma vez que um RNAm é produzido, será associado a um ribossomo, uma máquina molecular que é especializada em montar proteínas a partir de aminoácidos. O ribossomo usa a informação no RNAm para fazer uma proteína de uma sequência específica, "lendo" os nucleotídeos de RNAm em grupos de três (chamados códons ) e adicionando um aminoácido particular a cada códon.
3.7.2 RNA ribossômico (RNAr) e RNA transportador (RNAt) O RNA ribossômico ( RNAr ) é um componente importante dos ribossomos, ajudando o mRNA a se ligar no local certo para que a sequência de informações possa ser lida. Alguns RNAr também atuam como enzimas, o que significa que eles ajudam a acelerar (catalisar) reações químicas – neste caso, a formação de ligações que unem os aminoácidos para formar uma proteína. Os RNAs que atuam como enzimas são conhecidos como ribozimas. RNAs transportadores ( RNAt ) também estão envolvidos na síntese proteica, mas seu trabalho é agir como carregadores - trazer aminoácidos ao ribossomo, assegurando que o aminoácido adicionado a cadeia é o especificado pelo RNAm. RNAs transportadores consistem de uma fita única de RNA, mas essa fita tem segmentos complementares que ficam juntos para fazer regiões de fita dupla. Esse pareamento de bases cria uma estrutura 3D complexa importante à função da molécula. 3.7.3 RNA regulatório (miRNAs e siRNAs) Alguns tipos de RNAs não codificadores (RNAs que não codificam proteínas) ajudam a regular a expressão de outros genes. Esses RNAs podem ser chamados de RNAs regulatórios. Por exemplo, microRNAs ( miRNAs ) e RNAs de pequena interferência siRNA são pequenas moléculas de RNA regulatório de 22 nucleotídeos de extensão. Elas se ligam a moléculas específicas de RNAm (com sequências parcial ou completamente complementares) e reduzem sua estabilidade ou interferem em sua tradução, fornecendo uma maneira de a célula diminuir ou ajustar níveis desses RNAm. Estes são apenas alguns exemplos de vários tipos de RNAs regulatórios e não codificadores. Cientistas ainda estão descobrindo novas variedades de RNA não codificador.
Assim, durante a expressão de um gene codificante de proteína, a informação flui do DNA RNA proteína. Esse fluxo direcional de informação é conhecido como o dogma central da biologia molecular. Genes não codificantes de proteína (genes que especificam RNAs funcionais) ainda são transcritos para produzir um RNA, mas esse RNA não é traduzido em um polipeptídeo. Tanto para um quanto para outro tipo de gene, o processo de ir de um DNA para um produto funcional é conhecido como expressão gênica. 4.1.1 Transcrição Na transcrição, uma fita de DNA que compõe um gene, chamada de fita não codificante, age como molde para a síntese de uma fita correspondente (complementar) de RNA por uma enzima chamada RNA polimerase. Essa fita de RNA é o transcrito primário. O transcrito primário carrega a mesma sequência de informação que a fita de DNA não transcrita, algumas vezes chamada de fita codificante. Contudo, o transcrito primário e a fita codificante de DNA não são idênticos, graças a algumas diferenças bioquímicas entre DNA e RNA. Uma diferença importante é que as moléculas de RNA não incluem a base timina (T). Ao invés disso, elas têm uma base similar uracila ( U ). Como a timina, a uracila pareia com adenina. 4.1.2 Tradução Após a transcrição (e, nos eucariontes, após o processamento), uma molécula de RNAm está pronta para dirigir a síntese proteica. O processo de se usar informação contida em um RNAm
para construir um polipeptídeo é chamado de tradução(Abre em uma nova janela)(Abre em uma nova janela).
Durante a tradução, a sequência de nucleotídeos de um RNAm é traduzida na sequência de aminoácidos de um polipeptídeo. Especificamente, os nucleotídeos do RNAm são lidos em tripletos (grupos de três) chamados códons. Há 616161 códons que especificam aminoácidos. Um códon é o códon de "início" que indica onde começar a tradução. O códon de início especifica o aminoácido metionina, assim a maioria dos polipeptídeos iniciam com este aminoácido. Três outros códons de “parada” sinalizam o final de um polipeptídeo. Essas relações entre códons e aminoácidos são chamadas de código genético.
A Tradução ocorre dentro de estruturas conhecidas como ribossomos. Ribossomos são máquinas moleculares cujo trabalho é contruir polipeptídeos. Uma vez que o ribossomo se prende a um RNAm e encontra o códon de início, ele irá se mover rapidamente ao longo do RNAm, um códon de cada vez. Conforme for, ele irá gradualmente construindo uma cadeia de aminoácidos que espelha exatamente a sequência de códons no RNAm. Como o ribossomo "sabe" qual aminoácido adicionar para cada códon? Na verdade, esse pareamento não é feito pelo próprio ribossomo. Ao invés disso, ele depende de um grupo especializado de moléculas de RNA chamadas RNAs transportadores (RNAt). Cada RNAt tem três nucleotídeos expostos em uma extremidade, que podem reconhecer (parear bases com) apenas um ou poucos códons específicos. Na outra extremidade, o RNAt carrega um aminoácido
