CRESCIMENTO E RENOVAÇÃO CELULAR

O que permitirá explicar a diversidade de formas e funções de células de um mesmo organismo?

Às vezes, a observação de uma determinada célula, durante um curto período de tempo, pode revelar grandes mudanças no seu interior. O que se estará a passar?

De que modo se relaciona a informação contida no DNA com o aspeto de um ser vivo?

CRESCIMENTO E RENOVAÇÃO CELULAR

As células possuem processos de síntese que asseguram o seu crescimento e renovação. Os processos de divisão são os responsáveis pelo crescimento e renovação celular nos organismos multicelulares e pela reprodução nos seres unicelulares. A divisão celular envolve a passagem de informação genética presente no DNA da célula-mãe.

O DNA e a síntese proteica são responsáveis pelo crescimento e renovação celular

O nosso planeta apresenta uma grande diversidade de seres vivos distribuídos pelos ambientes mais diversos. A biodiversidade é uma riqueza inquestionável, sendo fonte de alimento e de medicamentos, proteção dos lençóis de água, combate à erosão dos solos e agente de mitigação da poluição.

Diversidade de organismos que habitam a Terra: biodiversidade

Apesar das diferenças existentes entre os seres vivos, há uma unidade estrutural e funcional comum a todos - a célula. A célula é considerada a unidade básica da vida. Esta semelhança também se revela a nível molecular, pois os organismos apresentam os mesmos constituintes bioquímicos.Como será possível explicar a grande diversidade de seres vivos que existem na natureza? Por mais diferentes que os organismos sejam entre si, é a partir de uma única célula e das informações contidas no seu genoma que se origina um indivíduo .

Da célula ao organismo

Podemos levantar várias questões:

Onde está armazenada toda a informação genética e como é transmitida à descendência?

Que processos são responsáveis pela unidade e variabilidade celular?

De que depende o crescimento celular, o desenvolvimento e a regeneração de tecidos?

Como explicar o facto de as células de um indivíduo não serem todas iguais?

O DNA é a molécula responsável pelo armazenamento da informação genética

Determinar o constituinte celular responsável pelo armazenamento e transmissão da informação genética foi objecto de estudo de vários cientistas.Em 1928, o médico inglês Frederick Griffith estava a estudar uma bactéria patogénica. Para tal, utilizou duas linhagens de Diplococcus pneumoniae (agente causador da pneumonia humana e letal para os ratinhos). As linhagens foram denominadas de S e R, porque enquanto cresciam em laboratório, umas produziam colónias lisas e outras rugosas, respectivamente. Griffith realizou a experiência ilustrada na figura, tendo concluído que apenas as bactérias S causavam a morte dos ratinhos.

As bactérias S quando mortas pela ação do calor perdiam o caráter virulento. No entanto, a mistura destas bactérias, mortas pelo calor, com bactérias R tornava-as virulentas, pois os ratinhos injetados morriam.

Griffith concluiu que compostos presentes nas bactérias S, mortas pelo calor, eram responsáveis pela “transformação” das bactérias R em S.

O DNA é o princípio transformante

Em 1944, Oswald Avery e MacLeod realizaram uma experiência para determinar a natureza química do princípio transformante.

Para tal, extraíram os diferentes compostos químicos das bactérias S mortas pelo calor e testaram-nos separadamente em bactérias R. Apenas nas células testadas com DNA ocorreu a transformação das bactérias R. Estes investigadores deduziram que o DNA corresponde ao princípio transformante, que contém a informação genética.

Os trabalhos de Avery e seus colaboradores foram importantes para comprovar que o DNA era o material genético das células. Contudo, tal não foi amplamente aceite pela comunidade científica de então porque:o DNA, quando comparado com as proteínas, era quimicamente menos complexo, pelo que os cientistas consideravam que eram as proteínas que continham a informação genética;a genética bacteriana ainda não estava desenvolvida, não sendo óbvio, na altura, que as bactérias possuíam genes.

Em 1952, Alfred Hershey e Martha Chase publicaram um trabalho efectuado com um vírus que infecta as bactérias (bacteriófago). Esse vírus, denominado T2, apresenta DNA dentro de uma cápsula proteica e depende da bactéria para se reproduzir.

Dispositivo experimental de Hershey e Chase

Ao marcarem radioativamente as proteínas e o DNA virais, Hershey e Chase puderam seguir o trajecto destas moléculas. Verificaram que as proteínas, presentes na cápsula, não penetram na bactéria, ao contrário do DNA.

Uma vez no interior da bactéria, o DNA viral toma o comando da célula bacteriana. Assim, a bactéria passa a produzir cópias do DNA viral, bem como proteínas que irão constituir a cápsula dos novos vírus.

Desta forma, ficou demonstrado que o DNA contém a informação necessária para o produção de novos vírus, não tendo havido intervenção das proteínas virais.

Assim, estes investigadores puderam concluir que o DNA é o suporte da informação genética e não as proteínas, reforçando os resultados de Avery e dos seus colaboradores.

Os raios-X permitiram decifrar a estrutura do DNA

Em 1950, estudos realizados por Rosalind Franklin permitiram obter primeiros dados sobre a dimensão e estrutura do DNA. Esta investigadora recorreu à difração de raios-X, bombardeando amostras de DNA cristalizado. Esta técnica permite obter a estrutura molecular compostos cristalizados, indicando que o DNA possuía uma estrutura em hélice.

A determinação da composição química do DNA também contribuiu para compreender a sua estrutura.

O DNA é um polímero de unidades que se repetem, os nucleótidos,

sendo cada um constituído por um grupo fosfato (que confere à molécula características ácidas),

um açúcar (a desoxirribose, que é uma pentose)

e uma base azotada.

O que diferencia os quatro nucleótidos de DNA é a base, que pode ser de anel simples (pirimídica): timina (T) e citosina (C)

ou de anel duplo (purina): adenina (A) e guanina (G).

Entre 1944 e 1952, Erwin Chargaff e os seus colaboradores analisaram amostras de DNA de diferentes espécies, tendo verificado que existem diferenças entre as espécies, mas que a quantidade de adenina era semelhante à de timina e a quantidade de citosina próxima à da guanina - regra de Chargaff.

Segundo a regra de Chargaff: A = T e C = G, pelo que:

A + C ≈ 1

T + G

Em 1953, Watson e Crick, combinando todos os conhecimentos que existiam sobre a estrutura do DNA e a sua composição, construíram um modelo que estabeleceu a estrutura geral do DNA – uma dupla hélice.

A estrutura tridimensional da molécula de DNA apresenta os seguintes aspectos: é formada por duas cadeias polinucleotídicas enroladas em hélice; as duas cadeias estão unidas por pontes de hidrogénio que se estabelecem entre as bases azotadas; as pontes de hidrogénio estabelecem-se de forma específica, em que a adenina se liga à timina (através de duas pontes de hidrogénio) e a citosina à guanina (através de três pontes de hidrogénio), de acordo com as regras de Chargaff. O emparelhamento das bases complementares, adenina e timina (A-T) e citosina e guanina (C-G), forma os “degraus" da molécula de DNA, possuindo o mesmo comprimento, encaixando uniformemente na dupla hélice; ao longo de cada cadeia os nucleótidos estão ligados por ligações covalentes, do tipo fosfodiéster, que se estabelecem entre o grupo fosfato, de um nucleótido e a desoxirribose do nucleótido seguinte;

os polinucleótidos de cada cadeia possuem um grupo fosfato livre numa das extremidades, denominada extremidade 5', e um grupo hidroxilo (OH-) livre na outra extremidade, a 3'. A extremidade 5'de uma das cadeias está emparelhada com a extremidade 3' da outra cadeia. Assim, as duas cadeias que constituem a molécula de DNA desenvolvem-se em sentidos opostos, sendo antiparalelas.Embora o DNA seja formado apenas por 4 nucleótidos diferentes, o número e a sequência dos nucleótidos definem a informação nele armazenada. A informação genética presente no DNA varia com as espécies e entre indivíduos da mesma espécie.O património genético de um indivíduo, o genoma, é constituído por genes, fragmentos funcionais de DNA, que divergem uns dos outros no número e sequência de nucleótidos.

O DNA duplica-se por replicação semiconservativa

Em 1956, Arthur Kornberg demonstrou que era possível replicar o DNA in vitro (no laboratório, fora de um organismo vivo), sem a presença de células, recorrendo a: DNA, DNA polimerase (uma enzima que obteve a partir de uma bactéria) e a nucleótidos. Contudo, faltava dar resposta à questão: como é que a molécula de DNA se replicava?Existem três modelos teóricos possíveis para a replicação do DNA:

Quando conceberam o modelo estrutural de DNA, Watson e Crick sugeriram que a replicação seria semiconservativa. Contudo, só posteriormente, em 1957, Matthew Meselson e Franklin Stahl demonstraram experimentalmente o modelo de replicação de DNA.

Como é que o DNA se replica? O azoto entra na constituição das bases existentes nos nucleótidos que se encontram no DNA. O 15N é um isótopo raro, não radioativo, que torna as moléculas mais densas do que as moléculas que o integram. O isótopo 14N é mais comum e menos denso.

Dispositivo experimental simplificado de Meselson e Stahl

Meselson e Stahl cultivaram bactérias Escherichia coli ao longo de 17 gerações, num meio rico em 15N, tendo observado que todo o DNA das bactérias era denso. Realizaram o mesmo procedimento, mas substituíram o azoto do meio por 14N, e verificaram que o DNA de todas as bactérias descendentes era pouco denso. Posteriormente, cultivaram bactérias num meio contendo 15N, transferindo-as de seguida para um meio com 14N, onde as bactérias replicavam o seu DNA a cada ciclo de 20 minutos. Em cada geração foram recolhidas e analisadas as densidades das amostras de DNA.

Aqueles investigadores observaram que o DNA da geração parental (P) era mais denso do que o DNA da primeira geração (F1). Por sua vez, o DNA da segunda geração (F2) era menos denso do que o DNA das gerações anteriores. Estes resultados são explicados com base no modelo semiconservativo da replicação do DNA.

Os outros dois modelos de replicação de DNA foram refutados pois a densidade intermédia não era explicada pelo modelo conservativo, e no modelo de replicação dispersiva a densidade do DNA oscilaria entre a densidade máxima e mínima mas não atingiria valores intermédios exactos.

Na síntese semiconservativa, o DNA é localmente desnaturado, as ligações por pontes de hidrogénio são quebradas, de modo a separar as duas cadeias polinucleotídicas. A abertura da dupla cadeia torna-as acessíveis à DNA polimerase que sintetiza uma nova cadeia de DNA obedecendo à complementaridade das bases.

Posteriormente, vários cientistas, recorrendo à utilização de isótopos marcados radioativamente, demonstraram que a replicação semiconservativa do DNA ocorria em células eucarióticas animais e vegetais.

Qual é o mecanismo de replicação do DNA?

O processo de replicação do DNA é bastante complexo e envolve a participação de várias enzimas, pois a molécula tem de sofrer desenrolamento, separação de cadeias e construção das novas cadeias.

A DNA polimerase é a enzima mais importante neste processo, promovendo: a formação de ligações por pontes de hidrogénio entre bases complementares (A com T e G com C); a ligação do açúcar de um nucleótido com o fosfato do nucleótido seguinte; a correcção de erros que possam existir.

Cada cadeia-mãe serve de molde para a replicação, sendo os nucleótidos adicionados por complementaridade de bases e sempre inseridos no sentido 5'-3'.

Devido ao antiparalelismo da cadeia de DNA parental, as cadeias-filhas não crescem da mesma forma: a cadeia que copia a cadeia 3'-5' forma-se de modo contínuo; a cadeia que copia a cadeia 5'-3' forma-se de modo descontínuo, em pequenas porções, que são depois ligadas pela enzima DNA ligase.