(1) crescimento, renovação celular e reprodução

CRESCIMENTO, RENOVAÇÃO

CELULAR E REPRODUÇÃO Biologia e Geologia

11º Ano

2010/2011

Crescimento e renovação celular

A célula é a unidade estrutural e funcional dos

organismos.

Cada célula tem o seu programa genético com o

qual produzem moléculas específicas que

permitem o crescimento e renovação celular.

Entre estas moléculas destacam-se as proteínas.

DNA e síntese de proteínas

Ao observar pessoas da mesma família é possível identificar semelhanças entre si.

Isto deve-se ao facto de resultarem de uma herditariedade em comum.

É, no entanto, também possível observar diferenças entre cada elemento que os distinguem uns dos outros.


A existência de semelhanças e diferenças deve-se ao facto de cada organismo ter um programa genético que é herdado dos seus antepassados mas que não é repetido.

O facto do código genético ser herdado de antepassados permite que os indivíduos sejam relativamente semelhantes entre si.

Mas o facto de não se repetir exactamente permite as diferenças.


O programa genético está “escrito” no ácido desoxirribonucleico (ADN ou DNA).

Esta molécula é responsável pela coordenação de todas as células do organismo.

Descoberta do ADN

Nos finais do século XIX, Miescher, ao estudar leucócitos, isolou uma substância de elevado peso molecular a que chamou nucleína.

Mais tarde foi designado de ácido desoxirrinucleico.

Esta macromolecula foi ignorada durante muito tempo, pois os cientistas da altura julgavam que as proteínas nucleares eram as portadoras da informação genética.

O ADN era aparentemente muito simples para explicar as diferenças entre os organismos.

Descoberta do ADN

Foi apenas na década de 40 do século XX que o ADN foi reconhecido como a molécula responsável por conter e passar a informação genética.

A moléculas de DNA é invariável do ponto de vista químico, seja qual for o tipo de célula ou de ser vivo.

Podem no entanto variar no número e tamanho, o que em ultima análise pode fazer variar a quantidade de informação.

Descoberta do ADN

A principal diferença no material genético entre

procariontes e eucariontes, reside na quantidade

de material, organização e localização.

Descoberta do ADN

Nos procariontes o DNA

encontra-se no citoplasma como

uma molécula circular, não tendo,

em regra, outros constituintes

associados.

A esta molécula dá-se o nome de

nucleóide.

Descoberta do ADN

Nas células eucariontes, quase todo, o material genético encontra-se no interior de um compartimento membranar denominado de núcleo.

O núcleo é delimitado por duas membranas:

Membrana nuclear externa;

Membrana nuclear interna;

Sendo que estas constituem o invólucro nuclear, que é perfurado por poros nuclear, os quais permitem a comunicação entre o interior do núcleo e citoplasma.

Descoberta do ADN

No interior do núcleo é possível encontrar o nucleoplasma (semelhante ao citoplasma) onde se encontram os cromossomas.

Os cromossomas são constituídos por ADN (altamente condensado) e proteínas (histonas).

Ao nível dos núcleos é possível distinguir regiões mais densas e facilmente visíveis denominadas de nucléolos.

Actividade Laboratorial

Extracção e Visualização de Moléculas de DNA

Descascar e cortar o Kiwi;

Juntar o sal, detergente e água destilada

num gobelé;

Juntar o preparado ao almofariz e triturar;

Filtrar o preparado através de papel de

filtro e de algodão hidrófilo;

Adicionar lentamente o álcool usando uma

proveta.

Constituição e Estrutura do ADN

Cada ser vivo apresenta o seu património genético, o que os torna únicos.

O ADN é a molécula biológica de suporte da informação genética que coordena todas as actividades celulares e que é transmitida a todas as células-filhas no decurso do desenvolvimento.


O ADN é uma macromolécula, um polímero, isto é, constituído por moléculas mais pequenas, que neste caso são nucleótidos.

Os nucleótidos são constituídos por:

1 Grupo Fosfato;

Confere características ácidas à molécula.

1 Pentose (Desoxirribose);

Um açúcar com 5 carbonos.

1 Base Azotada (Adenina; Timina; Citosina ou Guanina)


Os nucleótidos têm designações de acordo com a base azotada.

Por reacções de condensação os nucleótidos podem ligar-se sequencialmente formando uma cadeia polinucleotídica.

A ligação faz-se sempre entre o grupo fosfato do novo nucleótido e o carbono 3 da pentose do ultimo nucleótido da cadeia.

Assim diz-se que o alongamento da cadeia se faz no sentido 53.


A sequência de nucleótidos na cadeia de ADN é muito importante dado que é nessa sequência que está codificada a informação genética que define as características de cada indivíduo.

A compreensão da estrutura do ADN só se tornou possível após terem sido analisados os resultados de diferentes experiências…

Análise quantitativa percentual dos diferentes nucleótidos.

Verificou-se, em qualquer cadeia de ADN, de qualquer espécie, a quantidade a Adenina é muito próxima a de Timina, sendo que a mesma situação se verifica em relação a Citosina e Guanina.

Regra de Chargaff

Difracção dos raios X através de ADN cristalizado.

O estudo dos radiogramas, por parte de cientistas como Rosalind Franklin e Maurice Wilkins permitiu concluir que a molécula de ADN se apresenta sobre a forma de hélice.


Observações ao Microscópio Electrónico (ME) revelaram que a espessura da molécula de ADN é de 2nm.

Isto revela que se trata de uma dupla hélice, dado que cada cadeia polinucleotídica tem uma espessura de 1nm.


Em 1953, Watson (EUA) e Crick (UK), utilizando a informação até então descoberta desenvolveram um modelo único e coerente sobre a estrutura do ADN.

Modelo da Dupla Hélice

Duas cadeias polinucleotídicas enroladas em hélice;

As bases azotadas de uma cadeia ligam-se às bases complementares da outra cadeia (complementaridade de bases) através de pontes de hidrogénio;

Isto permite que a partir de uma cadeia se conheça a cadeia complementar;

As cadeias além de complementares são antiparalelas, ou seja, a extremidade 3’ de uma cadeia corresponde a extremidade 5’ da outra.


A estrutura do ADN é universal.

Quando analisamos o ADN verificamos a existência de genes.

Segmentos de ADN, com sequência nucleotídica própria que contem determinada informação.

O número e a sequência de nucleótidos diferem de gene para gene.

A ordem dos nucleótidos num gene possui um significado preciso, codificando então uma característica.

É a sequência de nucleótidos que transporta a mensagem genética.


Uma vez que existem 4 nucleótidos, que se podem repetir no mesmo gene e que o tamanho do gene é variável, o número de combinações é infinita, assim a quantidade de informação transportada pelo código genético é praticamente infinita.

Cada indivíduo é único, tem o seu próprio ADN, com as suas sequências.

Assim pode dizer-se que o ADN é universal e variável.

Ao conjunto de todo o ADN que um individuo possui chama-se genoma.

Replicação do ADN

Replicação do ADN

Até Watson e Crick nada tinha sido proposto relativamente à replicação da molécula da hereditariedade, isto é, relativamente ao modo como se duplica o ADN antes da divisão celular.

A partir do momento da descoberta do ADN tornou-se claro que antes da divisão celular as células têm que duplicar o seu ADN assegurando assim a conservação do património genético ao longo das gerações.

Replicação do ADN

O modelo explicativo, actualmente aceite, da replicação do ADN é o Modelo da Replicação Semiconservativo.

De um modo geral o processo ocorre da seguinte forma:

As duas cadeias polinucleotídicas são separadas uma da outra por acção da enzima ADN helicase que ao deslizar pelo ADN quebra as pontes de hidrogénio;

As helicases ligam-se em pontos específicos do ADN.

Cada uma das cadeias originais vai servir de molde às novas cadeias a serem sintetizadas;

Para a construção das duas novas cadeias são utilizados nucleótidos livres que se emparelham com os nucleótidos das cadeias moldes por complementaridade.

Além disso as novas cadeias são antiparalelas às que lhe servem de molde.

Formam-se assim duas moléculas de ADN, cada uma contendo uma cadeia antiga e uma cadeia recém-formada.

Replicação do ADN

No processo de replicação semiconservativo cada cadeia formada é uma réplica de uma das cadeias originais.

Formam-se assim duas moléculas de ADN iguais às originais.

Em 1958 Meselson e Stahl comprovaram este processo usando isótopos de azoto 15N (isótopo não radioactivo) que torna as moléculas mais densas do que as que usam o 14N, menos pesado.

Replicação do ADN

As bactérias G0 cultivadas em meio com 15N possuem um ADN mais denso pelo que ele precipita-se para junto do fundo do tubo de ensaio.

As bactérias G0 entram novamente em divisão (G1) celular, mas desta vez é introduzido 14N (menos denso), o que faz que as novas moléculas de ADN vão ter um cadeia com 14N e outra com 15N, fazendo com que o ADN tenha um peso menor do que o anterior.

Numa terceira geração de bactérias (G2), mantidas com 14N, verifica-se que vão-se formar 50% de moléculas de ADN 14N/15N e 50% de moléculas de ADN 14N.

Na eventualidade de uma quarta geração de bactérias, a proporção de ADN com 14N vai subir, ficando 75% de ADN 14N e 25% de ADN 14N/15N.

Verifica-se assim que o mecanismos utilizados pelos seres vivos na replicação do ADN é o processo de replicação semiconservativo.

Os processo de duplicação de ADN parecem ser semelhantes em todos os seres vivos, verificando-se ligeiras diferenças entes eucariontes e procariontes.

Replicação do ADN

Outros modelos de ADN foram propostos:

Modelo Conservativo

Modelo Dispersivo

Replicação do ADN

Curiosidades

Numa bactéria o ADN tem em média 600,000 pares de bases.

O ADN humano tem cerca de 3.000.000.000.000 (3x1012)pares de bases.

Cada cromossoma pode ter entre 50-250 milhões de pares de bases.

Estima-se que o genoma humano tenha entre 20.000-25.000 genes.

A DNA polimerase opera a uma velocidade de cerca 50 pares de bases por segundo.

O que significaria que o processo de replicação do ADN humano demoraria cerca de 1 mês.

Na realidade demora 1 hora, dado que cada molécula de ADN tem vários pontos de origem pelo que uma mesma molécula de ADN pode estar a ser replicada em vários pontos.

Existem cerca de 300 unidades de DNA polimerase III, por célula

Fluxo de informação genética

RNA

Outra macromolécula responsável pela “movimentação” de informação genética nas células é o RNA ou ARN (Ácido Ribonucleico).

Muito semelhante ao ADN é constituído por uma sequência de nucleótidos que por sua vez são constituídos por:

1 Grupo Fosfato;

1 Pentose (Ribose);

1 Base azotada (Adenina, Guanina, Citosina ou Uracilo)

O Uracilo é uma base azotada de anel simples, complementar da Adenina e com a qual estabelece duas ligações de hidrogénio.

RNA

O RNA apresenta outra diferenças em relação ao ADN, a salientar: é constituído apenas por uma cadeia e de dimensões menores.

Principais diferenças entre RNA e ADN

RNA ADN

Uma cadeia polinucleotídica Duas cadeias polinucleotídicas

Ribose Desoxirribose

A-U-C-G A-T-C-G

A razão entre nucleótidos é variável A razão entre A-T e C-G não é variável

A quantidade é variável de célula para

célula acordo com a actividade das mesmas.

A quantidade é constante em todas as

células, excepto nos gâmetas.

Quimicamente pouco estável Quimicamente muito estável

Tempo de duração pequeno Permanente

Pode apresentar-se sobre três formas:

mensageiro, transferência, ribossómico.

Somente uma forma básica.

RNA

O ADN é de facto o suporte universal de informação genética.

Existe no entanto um problema…

Em eucariontes o ADN não sai do núcleo, mas o processo de síntese proteica ocorre no citoplasma.

O “esquema” da nova proteína encontra-se no ADN, então de que forma chega a informação ao citoplasma?

RNA

Sem RNA o ADN era na realidade silencioso.

Biossíntese de proteínas

A sequência de ADN determina a sequência de aminoácidos, no entanto as células não usam a informação contida no ADN directamente.

Depois de alguma investigação verificou-se que as células utilizam moléculas de RNA formadas no núcleo e que migram para o citoplasma, onde são lidas.

Este RNA funciona como um mensageiro pelo que se designou de RNA mensageiro (mRNA)

Biossíntese de proteínas

Em todas as células, a informação para a sequência dos aminoácidos está contida nos genes.

A ordem dos nucleótidos de um gene determina a ordem dos aminoácidos numa proteína.

Desde o momento que se soube que os nucleótidos codificavam os aminoácidos que surgiu um problema.

Como é que um código de quatro “letras” pode codificar um alfabeto de vinte e

quatro?

Ribossomas

O mRNA pode ser lido pelos ribossomas que se podem encontrar livres no citoplasma ou associados à membrana do Retículo Endoplasmático Rugoso.

Os ribossomas são constituídos por duas subunidades:

Subunidade maior

Subunidade menor

Na constituição das subunidades dos ribossomas encontramos proteínas e RNAribossómico (rRNA)

Código genético

Obviamente que a cada nucleótido não pode corresponder um aminoácido, pois nessa situação, só poderiam existir quatro aminoácidos.

Assim os biólogos descobriram que existia um código entre as quatro “letras” dos nucleótidos e os cerca de 20 aminoácidos das proteínas.

Um código de dois nucleótidos por cada aminoácido (42) iria codificar apenas 16 aminoácidos, logo alguns não seriam codificados.

Por seu lado um código de 3 nucleótidos irá codificar 64 aminoácidos (43), mais do que suficiente para os aminoácidos existentes.

Estabeleceu-se assim que para cada aminoácidos é necessário uma sequência de três nucleótidos consecutivos (tripleto) a que se dá o nome de codão.

Código genético

Assim o código genético consiste na correspondência entre os codões e os nucleótidos.

Ao analisarmos o código genético verificamos que cada aminoácido pode ser codificado por mais do que um codão, e que existem codões que marcam o início e o fim da síntese.

Características do Código Genético

Universalidade do código genético

Quase todas as células utilizam o código genético, mesmo os vírus utilizam este código. Conhecem-se algumas excepções como o caso dos protozoários ciliados, nos quais os codões UAA e UAG não são sinais de terminação mas sim codões para glutamina.

O código genético é redundante

Existem vários codões que codificam o mesmo aminoácido.

O código genético não é ambíguo

A cada codão só corresponde um aminoácido.

O terceiro nucleótido do codão não é tão específico como o primeiro

Por exemplo a Serina (Ser) é codificada pelos seguintes codões UCU/UCC/UCA/UCG, verifica-se que os codões variam apenas no último aminoácido.

O tripleto AUG tem dupla função

Tanto funciona como codão de iniciação como codifica o aminoácido metionina.

Os tripletos UAA, UAG e UGA são codões de finalização ou “stop”

Marcam o fim da síntese da nova proteína.

Mecanismo de síntese proteica

Este conjunto de etapas que começa na transcrição do ADN e termina na formação de uma proteína, tem também o nome de Dogma Central, dado que é um processo universal em todos os organismos conhecidos.

(Proposto por Crick em 1958)

Consiste na passagem da linguagem polinucleotídica do ADN para a linguagem polipeptídica das proteínas.

Pode dividir-se em duas etapas:

DNA mRNA Polipeptídeo

Transcrição Tradução

Mecanismo da síntese proteica

Transcrição da mensagem genética

A informação contida em cada gene é copiada para RNA.

Tradução da mensagem genética

A informação contida nas moléculas mRNA é traduzida em sequências de aminoácidos.

Transcrição da informação genética

A primeira etapa da transferência de informação genética corresponde à síntese de RNA mensageiro.

O mRNA é sintetizado tendo com molde uma das cadeias de ADN.

A este processo dá-se o nome de transcrição do ADN, pois a informação do ADN é transcrito para o mRNA por complementaridade de bases.

O processo é semelhante ao da replicação do ADN, com as devidas diferenças inerentes à própria molécula de RNA.


De uma forma geral os interveniente na transcrição de ADN são:

A transcrição só se efectua numa das cadeias de ADN, isto é, apenas uma das cadeias serve de molde.

O complexo RNA polimerase liga-se a locais específicos da cadeia de ADN.

“Caixa” TATA ou uma variante desta sequência, existentes antes da sequência a ser transcrita.

A esta sequência ligam-se diversas proteínas as quais vão permitir que a RNA polimerase se ligue.

Intervenientes Funções

ADN Molde para a síntese do RNA

Nucleótidos de RNA (ribonucleótidos) Síntese de RNA

RNA polimerase Catalisa a reacção de síntese do RNA


Uma vez ligada à sequência promotora o RNA polimerase desenrola o ADN e começa a sintetizar o RNA por complementaridade.

A síntese faz-se sempre no sentido 5’3’.

Após a passagem da RNA polimerase o ADN volta a reconstituir-se.

Em células eucariontes, este processo ocorre no núcleo e a esta primeira forma de RNA mensageiro denomina-se de pré-mRNA ou RNA percursor.

O pré-mRNA é uma forma imatura de mRNA pelo que vai ter que sofrer diversas alterações até se tornar viável, ou seja, RNA maturo.

Ao conjunto de processos que levam à alteração do pré-mRNA dá-se o nome de Processamento.


Nos eucariontes cada gene contem sequências que não codificam informação.

A essas porções dá-se o nome de intrões, pois não devem sair do núcleo, já que não codificam nada.

Entre os intrões existem os exões, sequências que codificam.

São os exões que realmente contêm informação para a nova proteína e que como tal devem sair do núcleo.

Acontece que a RNA polimerase transcreve tanto os exões como os intrões, logo o pré-mRNA vai conter partes que não codificam nada efectivamente.


Durante o processamento, enzimas removem os

intrões e os exões são unidos formando-se uma

cadeia de mRNA maturo e que se encontra pronto

para sair do núcleo.

Tradução da informação genética

Nesta segunda fase do fluxo da informação genética a mensagem escrita na linguagem génica vai ser traduzida na linguagem proteica.

Já verificamos que a cada três nucleótidos corresponde um aminoácido.

Então é na sequência de tripletos do mRNA que reside a sequência de aminoácidos da proteína a ser sintetizada.


Como intervenientes deste processo destacam-se:

Intervenientes Funções

mRNA Contém a informação para a sequência

de aminoácidos.

Aminoácidos São as unidades estruturais da proteína a

ser sintetizada.

tRNA Transfere/transporta os aminoácidos

para os ribossomas.

Ribossomas Enzimas que catalisam a reacção de

síntese proteica.

Outras enzimas Aceleram as reacções

ATP Transferem energia para o sistema


É ao nível dos ribossomas que se efectua a tradução da mensagem genética.

Como intermediário encontra-se o tRNA, ou RNA de transferência.

Este tipo de molécula de RNA apresenta uma forma característica e vai levar os diferentes aminoácidos até aos ribossomas que se encontram a ler o mRNA.


tRNA

Apresenta a forma de folha de trevo.

Apresenta 3 ansas.

É na extremidade 3’ que se vai ligar um aminoácido específico.

Numa das ansas existe o chamado anticodão, que se vai ligar por complementaridade aos codões do mRNA.

A cada anticodão corresponde um aminoácido específico.

Assim cada tRNA é específico para um aminoácido e há tantos tRNA quantos codões existem.


Usando os tRNA os aminoácidos são colocados na ordem correcta de acordo com o que está “escrito” no mRNA.

Os ribossomas são os responsáveis por criarem um meio onde os diferentes aminoácidos são ligados uns aos outros.

O processo de síntese de proteínas pelos ribossomas dá-se em três fases:

Iniciação

Alongamento

Finalização


Iniciação

A subunidade pequeno do ribossoma liga-se ao mRNA ao nível do codão AUG (codão de iniciação), por sua vez um tRNA com anticodão UAC liga-se ao codão de iniciação, transportando consigo um aminoácido de metionina.

A subunidade maior liga-se à subunidade menor.

A subunidade maior apresenta dois locais, o local P e o local A.

O primeiro tRNA com a metionina ocupa o local P, permanecendo o local A desocupado.

O ribossoma encontra-se agora funcional.


Alongamento

O local A encontra-se sobre outro codão, ao qual vai chegar o tRNA com o anticodão correspondente (por complementaridade), este por sua vez transporta consigo o aminoácido que corresponde ao codão do mRNA.

Estabelece-se a primeira ligação peptídica entre os dois aminoácidos.

O ribossoma avança três bases (um codão), passando o tRNA, e os aminoácidos a ele ligados, que ocupava o local A a ocupar o local P.

Desta forma o local A fica novamente livre e sobre um novo codão, ao qual se vai agora ligar o tRNA correspondente, tal e qual como o passo anterior.

Desta forma os aminoácidos levados até ao ribossoma vão-se ligando uns aos outros formando uma longa cadeia que dará origem a uma proteína.


Finalização

O processo de alongamento dá-se até ao momento em que o ribossoma atinge um codão de finalização (UAA, UAG e UGA).

Nesse momento liga-se um factor de terminação que leva a que as duas subunidades do ribossoma se separem, terminando assim a síntese proteica.

A cadeia polipeptídica separa-se .

As subunidades podem voltar a juntar-se traduzindo o mesmo mRNA ou outro que se encontre na célula.

Dogma Central

Dogma Central

Este processo de síntese proteica é bastante eficaz sendo de salientar duas características muito importantes: rapidez e amplificação.

A amplificação ocorrem em diferentes fases do processo.

Várias moléculas de mRNA podem ser sintetizadas ao mesmo tempo a partir do mesmo gene de DNA.

Vários ribossomas se podem ligar ao mesmo tempo ao mRNA, permitindo assim um maior número de proteínas sintetizadas por mRNA.

Assim embora o tempo de vida do mRNA seja relativamente curto, como a mesma mensagem pode ser traduzida várias vezes, o processo é largamente amplificada.

A maior parte das proteínas acabadas de sintetizar não estão ainda funcionais, sendo preciso passar por alguns processos de maturação que as alteram estruturalmente com vista a sua total funcionalidade.

Alteração do material genético

Alteração do material genético

Em todos os organismos, a informação genética está codificada na sequência de nucleótidos dos genes.

Embora muito resistente o material genético não se mantém imutável, podendo em algumas situações ser modificado.

A tais modificações dá-se o nome de mutações génicas e os indivíduos que as sofrem mutantes.

Alterações do material genético

Uma alteração na sequência de bases na molécula de ADN pode conduzir a mudanças na proteína sintetizada.

Se essa proteína assegurar uma função chave no organismo, a realização dessa função pode ser muito afectada.

No caso da drepanocitose, o gene que codifica a sequência da cadeia da hemoglobina, sofre uma mutação num ponto preciso, passando assim a existir uma nova forma do gene.

A timina que existe no gene normal é substituída por uma adenina ficando a mensagem genética modificada.

O novo codão GUG (em vez da GAG) introduz um novo aminoácido, a valina, em vez de ácido glutâmico. Esta alteração é suficiente para que a nova hemoglobina, a hemoglibina S, seja menos solúvel que a normal.

Como consequência a hemoglobina S faz com que os eritrócitos fiquem deformados, sendo então conhecidos como eritrócitos depranocíticos que dificultam a circulação sanguínea podendo mesmo bloquea-la.


O efeito da mutação pode ser tão pequeno que pode não ser de fácil detecção.

Por outro lado algumas mutações são tão graves que podem levar a morte da célula ou do organismo que a evidência.

Contudo nem todas as mutações são nefastas para o organismo.


Devido a redundância do código genético, por vezes, algumas mutações acabam por levar a expressão do mesmo aminoácido.

Mutação silenciosa

Outras vezes o aminoácido expresso tem as mesmas características do original, não tendo por isso consequências evidentes.

Se o aminoácido substituído não se encontrar numa região essencial da proteína as consequências podem também não ser evidentes ou nefastas.


Nem sempre as mutações são negativas.

Por vezes as alterações levam à formação de proteínas com novas capacidades que podem representar uma mais valia perante os outros que não apresentam a mutação.

Este processo leva ao aumento de variabilidade

genética que por sua vez pode levar à evolução.

(1) crescimento, renovação celular e reprodução

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