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Núcleo: definição e componentes Existem células sem núcleo no corpo humano? Hemácias são células sanguíneas anucleadas, ou seja, sem núcleo. Apesar de o núcleo conter informações importantes sobre a vida e o funcionamento das células, as hemácias conseguem sobreviver durante mais ou menos 120 dias sem ele. Não há milagres. As hemácias, ao serem geradas, possuem temporariamente um núcleo que comanda a síntese de materiais necessários à célula, o suficiente para toda a sua vida. Assim, posteriormente, quando as hemácias estão preparadas para entrar na corrente sanguínea, perdem seus núcleos e assumem sua forma madura, prontas para entregar oxigênio às outras células do corpo. Neste módulo, veremos as características dos núcleos celulares, seus componentes e sua função nas células eucarióticas. ExpEctativas dE aprEndizagEm: – Interpretar o papel do núcleo na fisiologia celular; – diferenciar células procariontes de eucariontes; – identificar os componentes principais do núcleo; – explicar o papel das histonas; – indicar em que ocasiões é possível enxergar os cromossomos nas células. © vi ru so w y/ iS to ck 1. Definição O núcleo celular foi descrito inicialmente em 1831, por um escocês chamado Robert Brown, que, além de botânico, era físico. Suas observações se deram em células vegetais que ele estudava de forma recorrente, chegando a escrever um tratado sobre seus estudos, o que influenciou muitos estudiosos da área de botânica em sua época. Apesar de já ter sido identi- ficado anteriormente por Franz Bauer, em 1802, Brown estudou com afinco a estrutura, sendo o primeiro a tecer mais detalhes sobre a organela observada em orquídeas. A função do núcleo somente foi descrita no século XX, após os estudos de Mendel e a descoberta da mitose. A palavra “núcleo” vem do latim nucleus (noz da amêndoa, caroço de oliva). Ele aparece representado no esquema a seguir: D om ín io P úb lic o/ W ik im ed ia Robert Brown (1773-1858) citoplasma organelas núcleo membrana celular Estrutura interna de uma célula Como foi descoberta a função do núcleo nas células? Os primeiros experi- mentos para a investigação de funções em células foram realizados por meio de ensaios de merotomia (meros = parte; tomia = amputar, cortar). © m ic ro _p ho to /i St oc k BIOLOGIA 5 9º AnoMódulo 16 Observando a célula ou organismos na ausência de determinada estrutura, é possível identificar quais funções foram prejudicadas. Os primeiros experi- mentos de merotomia para análise de função nuclear foram realizados pelo pesquisador Édouard-Gérard Balbiani, que cortou células de um protozoário ciliado (Stentor) com agulhas finas. As células foram cortadas em várias partes. Algumas mantinham o núcleo, e outras não. As células sem núcleo acabavam por degenerar, enquanto as outras conseguiam se reproduzir normalmente. Os mesmos experimentos foram realizados em amebas (outro protozoário ciliado), mostrando que os organismos conseguiam manter as atividades catabólicas e de excreção, mas degeneravam depois de um tempo, pois não conseguiam renovar suas enzimas, crescer e reproduzir. 2. Funções O núcleo apresenta duas principais funções: I. Regular o metabolismo das células, ou seja, orientar as reações químicas que ocorrem em cada célula; II. armazenar as informações genéticas da célula, uma vez que no seu interior se encontram os cromossomos. A partir dessas funções, o núcleo se torna uma porção importante da célula, atuando como o centro de controle das atividades celulares. É importante comentar que o núcleo é uma estrutura dinâmica, visto que se comunica com o citoplasma por meio de poros, permitindo a passagem de proteínas em ambos os sentidos. Essas proteínas são capazes de promover alterações tanto no DNA quanto no citoplasma, modificando e direcionando as funções celulares de acordo com a necessidade. 3. Classificação As células podem ser classificadas como procarióticas ou eucarióticas, dependendo da presença ou não de envoltório nuclear. 3.1 Células procariotas (pro – primitivo + karion – carioteca) Células procariotas são aquelas cujo material genético se encontra disperso no citoplasma, não estando, portanto, envolvido por uma membrana nuclear. Um exemplo de ser vivo cuja célula é procariota (ou procariótica) é a bactéria. Seu material genético aparece organizado na forma de um nucleoide, como no esquema abaixo, mas não há membrana envolvendo tal material, ou seja, não existe um núcleo organizado. citoplasma membrana celular parede celular cápsula nucleoide flagelo Visão interna de uma célula bacteriana 3.2 Células eucariotas (eu – verdadeiro + karion – carioteca) Células eucariotas, encontradas desde os fungos até os animais e vegetais, são aquelas cujo material genético está organizado e envolvido pela membrana nuclear ou carioteca. A seguir, serão estudados a natureza de tal membrana e alguns componentes do núcleo. núcleo retículo endoplasmático rugoso retículo endoplasmático liso mitocôndria complexo de Golgi Visão interna de uma célula eucarionte 6 9º Ano BIOLOGIA Módulo 16 Além das células eucariotas terem carioteca, elas também apresentam outra diferença em relação às células procariotas: a presença de organelas membranosas no citoplasma. As organelas membranosas são, por exemplo, as mitocôndrias, o complexo de Golgi, o retículo endo- plasmático rugoso e o retículo endoplasmático liso, como indicado na figura anterior. Além disso, as células eucariotas apresentam DNA mitocondrial, ou seja, além do DNA presente no núcleo, também há DNA nas mitocôndrias. 4. Componentes do núcleo 4.1 Carioteca ou membrana nuclear Membrana de constituição lipoproteica, assim como a membrana plasmática, que apresenta duas camadas, uma externa e outra interna. A membrana nuclear, também denominada carioteca, apresenta inúmeros poros aquosos que permitem o livre trânsito de pequenas moléculas do núcleo para o citoplasma e vice-versa. Entretanto, para que moléculas maiores possam transitar, como proteínas, são necessárias proteínas transportadoras que executam o processo por meio de transporte ativo (será estudado em módulos posteriores). 4.2 Nucleoplasma O nucleoplasma ou cariolinfa é uma solução aquosa/ gelatinosa repleta de proteínas, íons e outras substâncias. Preenche o espaço nuclear entre o nucléolo (a seguir) e o material genético. Nesse espaço, ocorrem diversas reações químicas, como as envolvidas na duplicação do material genético. 4.3 Nucléolo O nucléolo, quando observado pelo microscópio, aparece como uma estrutura mais densa localizada no interior do núcleo (imagem anterior). Esses corpúsculos são locais de organização de RNA ribossomal, ou seja, é nos nucléolos que se localiza o material responsável (RNAr e proteínas) pela montagem das organelas conhe- cidas como ribossomos. As organelas citoplasmáticas são importantes para a síntese proteica na célula, portanto, células com nucléolo desenvolvido são potencialmente células com alta atividade de síntese proteica, como as do estômago, produtoras de enzimas digestivas. nucleoplasma nucléolo cromatina carioteca poros da carioteca Esquema do núcleo e suas estruturas principais 4.4 Cromatina Quando se observa o interior do núcleo, o que se vê na realidade, em parte, é o DNA (ácido desoxirribo- nucleico). O DNA tal como se costu- ma esquematizar, em seu formato de dupla-hélice, não pode ser visto ao micros- cópio, nem mesmo o eletrô- nico. Na verdade, é possível visualizar parte do DNA, mas não a ponto de enxergar com detalhes sua estrutura. Porém, em 2012, um grupo de pesquisadores, por meio de uma técnica nova, conseguiu visualizar a estrutura geral do DNA, confirmando o modelo de dupla-hélice de Watson e Crick. Não é possível visualizar sua estrutura, porque o DNA é a substância que forma o material genético das células. Entretanto, esse material genético, na verdade, constitui-se demoléculas de DNA associadas a proteínas, formando extensos fios denominados cromatina. Quando a célula não está se dividindo, o material genético encontra-se organizado na forma de cromatina, mas, quando se inicia o processo de divisão celular, a cromatina condensa ou espiraliza, tornando visíveis os cromossomos. © pa ga de si gn /i St oc k Dupla-hélice do DNA Núcleo: definição e componentes BIOLOGIA Módulo 16 7 9º Ano 4.5 Cromossomos Os cromossomos são cromatinas condensadas, sendo ambos formados pelo mesmo material: DNA e proteínas, basicamente. dupla-hélice de DNA histonas 2 nm 11 nm 30 nm 300 nm 700 nm 1.400 nm cromossomo DNA Análise esquemática de um cromossomo e sua composição molecular O esquema mostra um cromossomo e seus compo- nentes moleculares: ácido nucleico (DNA) associado a proteínas denominadas histonas, formando filamentos de cromatina. Após sua condensação, essas cromatinas se enovelam, formando, então, cromossomos, que contêm informações genéticas importantes a respeito de como as células sintetizam suas proteínas. Em outras palavras, os cromossomos são verdadeiros “livros de receitas” de proteínas, sendo cada receita um trecho desses cromos- somos, denominado gene ou gen. Cada gene em um cromossomo contém a informação necessária para que uma célula sintetize suas proteínas, as quais vão desempenhar diferentes funções em uma célula. Dessa forma, tem-se: gene (trecho de DNA) RNA proteína Para que a maquinaria celular tenha acesso às informa- ções contidas nos genes, o DNA não pode estar altamente enovelado, ou seja, enrolado em volta dele mesmo. Sendo assim, só é possível observar os cromossomos, que são a condição de enovelamento máximo do DNA, quando a célula está se dividindo. Nesse momento, a célula inter- rompe o processo de expressão das informações contidas nos seus genes. 01 O núcleo das células apresenta inúmeras funções indiretas, entretanto, duas funções principais podem ser atribuídas a essa organela. Quais são? 02 A membrana que envolve o núcleo apresenta carac- terísticas específicas. Responda: a. Qual a composição química das membranas nucleares? b. Por que a membrana nuclear ou carioteca é perfurada por inúmeros poros? 03 Qual a diferença entre células procarióticas e eucari- óticas? Cite um exemplo de célula para cada classificação. 04 Algumas células possuem organelas em maior quan- tidade que outras, dependendo de sua função principal. Células com o nucléolo desenvolvido apresentariam qual função principal? Justifique sua resposta. 05 Diferencie cromatina de cromossomo. 01 Neutrófilos, basófilos, eosinófilos e linfócitos são células pertencentes ao nosso tecido sanguíneo. Essas células têm como função a defesa do organismo. O conjunto dessas células forma os glóbulos brancos, ou leucócitos. Além disso, no sangue, também encontramos os chamados glóbulos vermelhos. Sobre estes, marque a alternativa correta: (A) Podem ser chamados também de leucócitos, por possuírem a mesma organização celular. (B) Podem ser chamados de hemácias ou eritrócitos, e, diferentemente dos leucócitos, essas células são anucleadas. 8 9º Ano BIOLOGIA Módulo 16 (C) Glóbulos vermelhos e brancos têm a mesma cons- tituição celular, e apenas um diferente pigmento na membrana os difere. (D) Glóbulos vermelhos são polinucleados e, por isso, diferentes dos glóbulos brancos. (E) Chamados também de plaquetas, atuam na coagu- lação sanguínea. 02 O bom funcionamento de uma célula eucariota depende da compartimentalização de processos especí- ficos em organelas como as indicadas por números na figura a seguir: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Observando a imagem acima, o núcleo, o complexo de Golgi e o retículo endoplasmático rugoso estão indicados, respectivamente, pelos números: (A) 4, 6 e 2. (B) 11, 1 e 3. (C) 5, 8 e 9. (D) 4, 3 e 11. (E) 7, 12 e 8. 03 O núcleo delimitado por membrana é uma estrutura de células eucariotas e responsável pelo controle das funções celulares. Com relação à organização, à estrutura e à função do núcleo, é possível afirmar que: (A) a hemácia humana é uma célula nucleada, ou seja, durante a sua diferenciação, ganhou o núcleo. (B) o nucléolo é uma região do núcleo mais densa, não delimitada por membrana, que se cora mais inten- samente com corantes básicos. (C) a cromatina presente no citoplasma consiste em DNA associado a proteínas histônicas e é o material que forma cada um dos cromossomos. (D) a carioteca, membrana que reveste o núcleo, é total- mente vedada, não apresentando formas de contato com as moléculas do citoplasma. 04 Um pesquisador injetou uma pequena quantidade de timidina radioativa (3H-timidina) em células com o propósito de determinar a localização dos ácidos nucleicos sintetizados a partir desse nucleotídio, utilizando uma técnica muito empregada em biologia celular, a autorra- diografia combinada com microscopia eletrônica. Assinale a alternativa que apresenta os dois comparti- mentos celulares nos quais o pesquisador encontrará ácidos nucleicos radioativos: (A) Núcleo e mitocôndrias. (B) Citosol e mitocôndrias. (C) Núcleo e retículo endoplasmático. (D) Citosol e retículo endoplasmático. (E) Peroxissomos e retículo endoplasmático. 05 O DNA apresenta diferentes níveis de condensação, conforme representado na figura: dupla-fita de DNA (2 nm) DNA ao redor de 8 proteínas histonas (11 nm) 30 nm 300 nm 1.400 nm 700 nm A B C DE F Núcleo: definição e componentes BIOLOGIA Módulo 16 9 9º Ano No momento em que o DNA de uma célula somática humana for visualizado no nível F de condensação, estará ocorrendo o processo de: (A) síntese de proteínas. (B) multiplicação celular. (C) permutação cromossômica. (D) produção de ácido ribonucleico. (E) duplicação do material genético. 06 O núcleo celular é o local que abriga o material genético nas células eucariontes. No núcleo interfá- sico, fase em que a célula não se encontra em divisão, a cromatina aparece imersa na cariolinfa, como um emaranhado de filamentos longos e finos. Ao iniciar o processo de divisão celular, esses filamentos começam a se condensar em espiral, tornando-se mais curtos e grossos, passando a ser chamados de: (A) cromonema. (B) cromossomo. (C) carioteca. (D) DNA. (E) genes. 07 O núcleo é uma estrutura celular delimitada pela carioteca que existe apenas em organismos eucariontes. Sobre o núcleo é possível afirmar que: (A) é uma estrutura presente exclusivamente em células animais e vegetais. (B) armazena o material genético que contém a infor- mação para a produção de proteínas da célula. (C) as moléculas de DNA estão arranjadas na forma de cromossomos, que são associações de RNA com proteínas histona. (D) as células bacterianas apresentam DNA extranuclear localizado nas mitocôndrias. (E) um cromossomo possui apenas um único gene. 08 Em 1996, a comunidade científica comemorou um grande feito: a clonagem de um mamífero, a ovelha Dolly. Entretanto, Dolly foi sacrificada aos 6 anos de idade, depois de uma vida marcada por envelhecimento precoce e doenças. Em seus últimos dias, Dolly estava com uma doença degenerativa e incurável nos pulmões. A imagem a seguir revela o procedimento utilizado na clonagem da ovelha: ovelha de cara preta núcleo removido óvulo doador fusão da célula e ovo sem núcleo com eletricidade ovelha de cara branca ovelha de cara preta com carneiro de cara branca (clone) célula ovo fundido com célula embrião embrião implantado A partir da análise do esquema acima, o que explica o fato de a ovelha Dolly não ser idêntica à mãe, ovelha que a gestou, é que: (A) o sangue da ovelha que gestou a Dolly não se misturou com o sangue da ovelha Dolly, logo, não há seme- lhança entre as duas. (B) a ovelha que gestou a Dolly teve seus ovários retirados. (C) o núcleo da célula que deu origem à Dolly foi retirado de uma célula da ovelha de cara branca. (D) metade doDNA contido na célula que originou a ovelha Dolly era da ovelha de cara branca e a outra metade era da ovelha de cara preta. (E) a célula doada pela ovelha de cara preta era uma hemácia, por isso, não havia DNA da ovelha de cara preta na ovelha Dolly. 10 9º Ano BIOLOGIA Módulo 16 _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 09 As células apresentam níveis de complexidade diferentes. Há células simples, como também há células mais complexas com várias organelas citoplasmáticas. A imagem a seguir descreve a estrutura interna e super- ficial de uma bactéria: © bl ue ri ng m ed ia /i St oc k Acerca da célula bacteriana, pode-se afirmar que: (A) as células bacterianas apresentam mitocôndrias contendo material genético. (B) as células animais apresentam maior complexidade citoplasmática quando comparadas às células bacte- rianas. (C) é possível verificar a carioteca nas células bacterianas. (D) as células bacterianas apresentam membrana plas- mática, porém não apresentam parede celular. (E) diferentemente das células animais, as bactérias apresentam herança genética mitocondrial. 10 As hemácias são células sanguíneas cuja função é transportar gases no sangue. Essas células, que também são chamadas de glóbulos vermelhos ou eritrócitos, apresentam uma diferença estrutural em relação às demais células sanguíneas, como neutrófilos e linfócitos, que: © lv ca nd y/ iS to ck As hemácias são as células sanguíneas mais abundantes (A) vivem por longos períodos de tempo, exigindo pequena taxa de renovação. (B) são produzidas no baço, enquanto as demais células sanguíneas são produzidas na medula óssea. (C) apresentam parede celular composta de quitina. (D) não apresentam núcleo, vivendo apenas cerca de 120 dias. (E) são células procariotas, diferentemente das demais. 01 Os cromossomos humanos podem ser estudados em células do sangue. Essa análise pode ser feita tanto em linfócitos quanto em hemácias? Justifique. 02 Comente a relação entre o material genético de uma célula e as proteínas produzidas por ela. Núcleo: definição e componentes BIOLOGIA Módulo 16 11 9º Ano Núcleo: função e tipos de cromossomos É verdade que os bebês, ainda no útero, tornam-se meninas antes de serem meninos? Não é bem assim. O que define o sexo genético do bebê são seus cromossomos sexuais. Meninas possuem dois cromossomos do tipo X, enquanto meninos possuem um cromossomo sexual X e outro Y. Caso o bebê não possua cromossomo Y, as gônadas vão se desenvolver naturalmente em ovários devido à presença de genes no cromossomo X. Entretanto, caso haja o cromossomo Y, um gene específico desse cromossomo conduzirá à caracterização das gônadas em testículos, diferenciando o sexo do bebê. Caso contrário, o bebê desenvolveria ovários normalmente. Entretanto, mesmo que algo dê errado nesse sentido, o sexo cromos- somial do bebê define seu gênero independentemente de haver má-formação nas gônadas. Neste módulo, compreenderemos um pouco mais sobre as estruturas encontradas nos núcleos celulares: cromossomos, genes e suas funções para a célula. ExpEctativas dE aprEndizagEm: – Identificar o cariótipo humano; – diferenciar cromossomos autossômicos e sexuais; – interpretar a classificação dos cromossomos quanto à posição do centrômero; – interpretar os conceitos de cromossomos homólogos, cromátides-irmãs, locus e alelos; – diferenciar células haploides e diploides. © Le v K ro po to v/ iS to ck 1. Introdução No módulo anterior, foi vista a estrutura do núcleo e seus componentes. O núcleo possui em seu interior os cromossomos formados por DNA e proteínas. Tais estru- turas podem ser divididas em sequências denominadas genes, cada qual contendo a informação necessária à célula, para que esta sintetize suas proteínas. A seguir, serão apresentadas as principais caracterís- ticas dos cromossomos e suas classificações. 2. Classificação quanto ao tipo Os cromossomos podem ser classificados quanto ao tipo de informação armazenada em seus genes. 2.1 Cromossomos autossômicos Cromossomos autossômicos ou autossomos são aqueles cujas informações não determinam o gênero do indivíduo, ou seja, suas informações não estão relacio- nadas às características sexuais. Na espécie humana há um conjunto de 22 pares de cromossomos desse tipo; o último par é representado por cromossomos sexuais. A figura a seguir representa o cariótipo humano, ou seja, o conjunto de cromossomos da espécie. É percep- tível que, numerados de 1 a 22, estão representados os cromossomos autossômicos, enquanto os últimos dois cromossomos são sexuais. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 X Y par de cromossomos sexuais BIOLOGIA Módulo 17 12 9º Ano 2.2 Cromossomos sexuais Os cromossomos sexuais contêm genes responsáveis pela codificação de características sexuais nos indivíduos. São apenas dois os que existem na espécie humana: o cromossomo X e o cromossomo Y. Diferenciam- -se em formato e também na composição dos genes. O cromossomo Y está presente apenas nos homens da espécie, enquanto o X aparece duplicado nas mulheres e acompanha o Y nos homens. Seguem os cariótipos abaixo: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 X Y cariótipo masculino cariótipo feminino 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 X Y Ambos os indivíduos possuem um total de 46 cromos- somos, mas diferem nos tipos de cromossomos sexuais quando se tratam de sexos distintos. Qual o caso mais antigo de síndrome de Down relatado na história? © El eo no ra _o s/ iS to ck A conhecida síndrome de Down, que afeta milhares de pessoas no mundo inteiro, é antiga. Seu nome é dado em homenagem ao médico que a descreveu inicialmente, em 1866: John Langdon Down. O médico percebeu que havia inúmeras características comuns em crianças desse tipo. Ao analisarmos registros antropológicos, chegamos à conclusão de que o primeiro caso de síndrome de Down foi relatado em crânio saxônico do século VII. Esse crânio apresentava modificações estruturais vistas com frequência em crianças com a síndrome. Nenhum relatório bem documentado sobre pessoas com síndrome de Down foi publicado antes do século XIX. Inicialmente, os pacientes com a doença eram denominados mongóis devido à semelhança com a etnia, evidenciada por seus olhos nitidamente amendoados. A etnia era considerada inferior à época, o que levou à denominação indevida. Atualmente, o termo é desaconselhado. Núcleo: função e tipos de cromossomos BIOLOGIA Módulo 17 13 9º Ano 3.Classificação quanto à posição do centrômero Quando as células vão se dividir, os cromossomos precisam se duplicar. Tal fenômeno é necessário, pois se não houvesse a duplicação do material genético quando a célula se dividisse, a quantidade de material genético também seria dividida, como pode ser observado na imagem: centrômero I II Cromossomo duplicado: cromátides I e II unidas pelo centrômero Nos cromossomos duplicados, podem-se observar duas hastes denominadas cromátides, representadas pelos números I e II. Quando elas fazem parte do mesmo cromossomo, são denominadas cromátides-irmãs. As cromátides se encontram unidas por uma região de estrangulamento denominada centrômero, cuja posição ao longo da estrutura pode variar. O centrômero servirá posteriormente de apoio para as fibras do fuso se fixarem no momento da divisão celular, como pode ser observado na imagem: A B C D telocêntrico acrocêntrico submetacêntrico metacêntrico Tipos de cromossomos quanto à posição do centrômero Na imagem acima estão representados diferentes cromossomos de acordo com a posição do centrômero: • Telocêntrico: O centrômero está localizado na posição terminal do cromossomo, ou seja, toda a extensão das cromátides aparece de forma unilateral. • Acrocêntrico: Nesse tipo de cromossomo, o centrô- mero está localizado em posição próxima à extremi- dade, tornando um dos braços do cromossomo bem curto. • Submetacêntrico: O cromossomo submetacêntrico apresenta centrômero localizado próximo à região central de sua estrutura. • Metacêntrico: Nesse tipo de cromossomo, o centrômero aparece na região central da estrutura, deixando os braços cromossomiais com o mesmo tamanho aproxi- madamente. Obs.: A análise do tipo de cromossomo por pesqui- sadores que trabalham com tal material possibilita a identificação de cada cromossomo do cariótipo humano de forma rápida. Por exemplo, a imagem do cariótipo humano abaixo: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 X Y Cariótipo de uma mulher Perceba que, de acordo com o grupo, cada cromos- somo apresenta características diferentes quanto ao tamanho e à posição do centrômero. Cromossomos do par número 13 são menores do que os do par número 1 e possuem centrômeros em posições diferentes. Para os pesquisadores que necessitam identificar os cromossomos de acordo com seu par, a diferença estrutural facilita o reconhecimento e a identificação de forma visual. Como você acha que o pesquisador identifica o terceiro cromos- somo tipo 21 em uma criança com síndrome de Down? Síndrome de Down ou trissomia do 21 © D en K uv ai ev /i St oc k A conhecida síndrome de Down ou trissomia do 21 é uma doença caracterizada como “síndrome” devido aos vários sintomas decorrentes da condição cromossômica inicial. Nos pacientes portadores dessa síndrome, há três cromossomos do tipo 21 em vez de 14 9º Ano BIOLOGIA Módulo 17 dois (lembre-se de que os cromossomos se organizam aos pares sempre). O erro cromossômico ocorre no momento da fecundação e pode estar relacionado à gravidez em mulheres de idade avançada, uma vez que seus ovócitos são mais velhos. Entretanto, não há como prever tal acidente e mesmo mulheres jovens podem ter filhos com a síndrome. Os pacientes portadores da doença apresentam graus de dificuldade intelectual variados, o que não impede, no entanto, de serem estimulados, levando-os a realizar inúmeras atividades complexas, como ler e escrever. 4. Classificação dos cromossomos quanto à informação genética Viu-se que os cromossomos se duplicam antes de a célula se dividir para que a quantidade de material genético seja mantida idêntica nas células-filhas. A partir dessa duplicação, há geração de cromátides-irmãs, ou seja, cromátides idênticas em um cromossomo duplicado. Agora, pense em dois cromossomos pertencentes a um mesmo par. Tais cromossomos são considerados homólogos. Observe o esquema abaixo: pai mãe centrômero cromátide cromátides-irmãs cromossomos homólogos não são irmãs, porque não são do mesmo cromossomo. duplicação Par de cromossomos homólogos duplicado Os dois cromossomos acima são considerados homólogos, uma vez que fazem parte do mesmo par. Mas na prática, o que isso significa? Para entender tal conceito, é necessário compreender o que são genes. Os cromossomos são estruturas que carregam o material genético, que é formado de DNA. Cada cromossomo pode ser dividido em inúmeras sequências de nucleotídeos denominadas genes. É preciso pensar no cromossomo como se ele fosse um livro e nos genes como se fossem as palavras, cada qual com seu significado. Os genes contêm infor- mações sobre proteínas específicas a serem produ- zidas pelas células do corpo. Pode-se dizer que eles são as “receitas” para que as células sintetizem tais proteínas. Se os genes são as receitas, os cromossomos são verdadeiros livros de receitas de proteínas, e, por isso, o material genético humano é tão importante. Lembre-se de que cada célula do corpo possui em seu núcleo uma cópia idêntica do material genético. Como tais genes estão organizados nos cromossomos? Sabe-se que os cromossomos são organizados aos pares, visto que em um indivíduo um dos cromossomos é oriundo de sua mãe e o outro, de seu pai. Assim, há 46 cromossomos organizados aos pares, ou seja, 23 pares dessas estruturas. Como dito anteriormente, cromossomos pertencentes ao mesmo par são homólogos e idênticos, ou seja, possuem os mesmos genes em suas estruturas. Como na imagem abaixo: cromossomos homólogos A a centrômero locus gênico Na imagem anterior, os genes representados pelas letras “A” e “a” são idênticos. Pense em genes para cor de pele. Percebe-se que, como os cromossomos são homólogos, a posição que os genes ocupam em cada cromossomo é a mesma. Tal posição é denominada locus gênico. Isso significa, na prática, que no cromossomo proveniente do pai, em determinado locus gênico, há o gene para cor de pele, e ao se analisar o gene de mesmo gene DNA cromossomo Núcleo: função e tipos de cromossomos BIOLOGIA Módulo 17 15 9º Ano locus no cromossomo homólogo proveniente da mãe, será encontrado também um gene para a cor de pele. Esses genes idênticos são denominados alelos. Qual será a diferença entre eles então, já que cada um é proveniente de um indivíduo distinto? A diferença é que cada um desses genes trará as sequências genéticas correspondentes às características do pai ou da mãe. Por exemplo, se o cromossomo da esquerda for proveniente de um indivíduo com pele branca, essa será a característica dada pelo gene em questão. Se o cromossomo da direita for proveniente de uma mulher com pele negra, tal gene trará essa informação. O interessante é que ambas as características estarão presentes no filho desse casal. Mas, para se saber a cor da pele dessa criança, seria necessário calcular probabilidades e conhecer as leis de Mendel. Resumo: • Cromátides-irmãs: As hastes de um cromossomo após este ser duplicado antes da divisão celular. • Cromossomos homólogos: Cromossomos perten- centes ao mesmo par, cujos genes codificam as mesmas características. Um cromossomo homólogo é sempre proveniente da mãe, enquanto o outro é proveniente do pai. • Locus gênico: Posição em que determinado gene se encontra em um cromossomo. • Genes alelos: Genes localizados no mesmo locus gênico em cada cromossomo homólogo. Estão relacionados à mesma característica. 5. Número cromossomial Sabe-se que a espécie humana apresenta 46 cromos- somos em suas células, entretanto, o número cromosso- mial não é o mesmo para todas as espécies, evidentemente. Veja abaixo o número cromossomial de algumas espécies de animais: Ser vivo Número de cromossomos ser humano 46 camundongo 40 cachorro 78 gorila 48 peixe-vermelho 200 tomate 24 cebola 76 Por que cada espécie apresenta quantidade de cromossomos diferente? Por meio de processos evolutivos ocorridos ao longo de eras, cada espécie se adaptoua um número cromossômico distinto, o que significa certa quantidade de genes em sua estrutura. O ser humano possui 46 cromossomos, e toda a informação necessária para fazer funcionar sua estrutura complexa está contida nessa quantidade de material genético. Já o peixe-vermelho, por exemplo, possui 200 cromossomos. De acordo com o número de cromossomos, pode-se classificar as células em haploides ou diploides: • Células haploides (n) – são aquelas que apresentam metade do número cromossomial da espécie. Ex.: Na espécie humana, óvulos e espermatozoides possuem 23 cromossomos, e não 46. Logo, são células haploides. Você sabe dizer o porquê? • Células diploides (2n) – são aquelas que apresentam o número total de cromossomos da espécie. No caso da espécie humana, 46 cromossomos. Ex.: Células da pele ou de qualquer órgão que não sejam ovários ou testículos. mulher 2n = 46 homem 2n = 46 óvulo n = 23 espermatozoide n = 23 zigoto 2n = 46 mitoses mitoses meiose meiose fecundação Gametas e a reprodução humana 6. Representação do cariótipo Pode-se representar de forma resumida o cariótipo de uma pessoa da seguinte maneira: • Homem normal – 46, XY ou 22AA + XY. • Mulher normal – 46, XX ou 22AA + XX. • Mulher com síndrome de Down – 47, XX + 21. 16 9º Ano BIOLOGIA Módulo 17 01 Defina cariótipo e diferencie cromossomos autossô- micos de cromossomos sexuais. 02 Observe o esquema de um cromossomo abaixo e responda: 1 2 3 a. Os cromossomos pertencem a células que estão se dividindo? Justifique sua resposta. b. Nomeie as estruturas marcadas pelos números. 03 Analise o esquema abaixo e classifique os cromos- somos de acordo com a posição do centrômero. A B C D 04 Considere dois cromossomos com seus respectivos genes. Imagine que determinado gene de um locus gênico contenha sequência genética para codificar uma proteína do fígado humano. Em outro cromossomo foi identificado um gene no mesmo locus gênico do anterior. É possível afirmar que os cromossomos em questão são homólogos? Justifique sua resposta. 05 Diferencie células haploides de células diploides. 01 O desenho abaixo representa um cromossomo da espécie humana. Como se chama a região indicada pela seta? De que substância ela é formada? (A) Cromátide – DNA. (B) Centrômero – RNA. (C) Cromátide – RNA. (D) Cromossomos – RNA. (E) Centrômero – DNA. 02 A continuidade genética entre células e organismos de reprodução sexuada é mantida pelos processos de mitose e meiose, em que o DNA é separado em cromos- somos. Na tabela abaixo, são apresentados os números de cromossomos haploides de algumas espécies: Nome científico Nome comum Número haploide de cromossomos Homo sapiens espécie humana 23 Felis catus gato 38 Canis familiaris cachorro 39 Sobre o assunto, é possível afirmar que: (A) em cada neurônio de Felis catus são encontrados 76 cromossomos. (B) uma célula epitelial humana tem 4 cromossomos sexuais. (C) o número de cromossomos autossomos de um fibroblasto humano é 23. (D) um espermatozoide de Canis familiaris tem 78 cromossomos. (E) a meiose só ocorre em células haploides (n), e as células-filhas são sempre diploides (2n). Núcleo: função e tipos de cromossomos BIOLOGIA Módulo 17 17 9º Ano 03 A figura a seguir representa uma célula eucariótica com detalhe para o núcleo e para os seus constituintes: envoltório nuclear núcleo retículo endoplasmático granular cromatina poros nucleares De acordo com as funções desempenhadas pelos compo- nentes da imagem anterior, é possível afirmar que: (A) o envoltório nuclear não possui comunicação com o retículo endoplasmático granular. (B) a síntese de proteínas não será afetada se o nucléolo for experimentalmente removido. (C) os poros permitem a passagem da cromatina para o citosol, fenômeno indispensável para que ocorra a síntese de proteínas. (D) a cromatina é constituída pelas moléculas de RNA associadas a proteínas. (E) os poros do núcleo permitem a entrada de substân- cias importantes, porém não permitem a saída de moléculas do núcleo para o citosol. 04 Sabendo-se que determinada espécie de vertebrado possui número cromossômico 2n = 50, assinale a alter- nativa que associa corretamente o tipo de célula à sua quantidade de cromossomos: (A) Hepatócito – 25. (D) Fibra muscular – 25. (B) Ovogônia – 25. (E) Óvulo – 50. (C) Neurônio – 50. 05 A ilustração abaixo representa tipos de cromossomos indicados por A, B e C, denominados, respectivamente: (A) metacêntrico, submetacêntrico, acrocêntrico. (B) acrocêntrico, submetacêntrico, metacêntrico. (C) acrocêntrico, metacêntrico, submetacêntrico. (D) metacêntrico, acrocêntrico, submetacêntrico. (E) submetacêntrico, acrocêntrico, metacêntrico. 06 Agrupando-se os cromossomos presentes em células somáticas de homens e mulheres, em relação à posição do centrômero, obtêm-se os seguintes dados: Posição do centrômero Número de cromossomos presentes masculinos femininos acrocêntricos 11 10 submetacêntricos 25 26 metacêntricos 10 10 A partir desses dados, pode-se concluir que os cromos- somos sexuais X e Y são, respectivamente: (A) acrocêntrico e submetacêntrico. (B) metacêntrico e submetacêntrico. (C) submetacêntrico e acrocêntrico. (D) submetacêntrico e metacêntrico. (E) metacêntrico e metacêntrico. 07 Analisando a figura abaixo, é possível afirmar que: (A) trata-se uma estrutura que apresenta membrana única com poros que permitem a passagem de algumas moléculas. (B) a cromatina é o material que se encontra imerso no interior da estrutura, podendo sair dela a qualquer momento. (C) durante a divisão celular, a cromatina se desenrola das histonas para que possa ocorrer a duplicação do DNA. (D) cromatina e cromossomos são encontrados em fases diferentes na divisão celular e na interfase, respecti- vamente. 18 9º Ano BIOLOGIA Módulo 17 _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 08 A análise citogenética realizada em várias células de um mamífero permitiu elaborar o seguinte esquema: Ele representa: (A) o fenótipo do organismo. (B) o genoma de uma célula haploide. (C) o genoma de uma célula diploide. (D) os cromossomos de uma célula haploide. (E) os cromossomos de uma célula diploide. 09 Dados os esquemas de cromossomos, podemos classificá-los conforme a posição do centrômero: I II III (A) Os cromossomos I e II são metacêntricos e o III, submetacêntrico. (B) Os cromossomos I e III são metacêntricos e o II, acrocêntrico. (C) Os cromossomos I, II e III são metacêntricos. (D) Apenas o cromossomo III é metacêntrico. (E) Os cromossomos I, II e III são, respectivamente, metacêntrico, submetacêntrico e acrocêntrico. 10 Observe o cariótipo abaixo e responda ao que se pede: © SM C Im ag es /g et ty im ag es a. O cariótipo acima corresponde a um homem ou a uma mulher? Justifique sua resposta. b. Existealgum tipo de anomalia referente ao cariótipo? Justifique sua resposta. 01 Os cromossomos das células somáticas de um animal foram esquematizados, como mostra a figura a seguir: a. Quantos cromossomos esse indivíduo possui? Trata-se de uma célula haploide ou diploide? b. Quais são os tipos de cromos- somos encontrados no cariótipo desse indivíduo? 02 O número de cromossomos de cada espécie varia. É correto dizer que quanto maior a quantidade de cromos- somos, maior a complexidade da espécie? Justifique sua resposta. Núcleo: função e tipos de cromossomos BIOLOGIA Módulo 17 19 9º Ano Núcleo: duplicação do DNA Qual é a verdadeira relação entre o código genético das células e o código utilizado em computadores? A semelhança entre eles é maior do que podemos imaginar. Entretanto, a capacidade do DNA é absolutamente maior em termos de armazenamento e de processamento de informações. Tal fato ocorre porque a qualquer momento podem suceder alterações nas sequências genéticas via mutações aleatórias, impossíveis de serem previstas. O material genético atua por um código específico, o qual traduz as diretrizes para que moléculas biológicas sejam sintetizadas no interior das células, tal qual uma progra- mação de informática determina exatamente os comandos que o computador deve efetuar. Neste módulo, veremos maiores detalhes sobre o processo de duplicação do DNA, utilizando os conheci- mentos adquiridos sobre a molécula da vida. ExpEctativas dE aprEndizagEm: – Relacionar a divisão celular com o evento de duplicação do DNA; – interpretar a duplicação do DNA como semiconservativa; – explicar o papel das enzimas helicase e DNA polimerase no processo de replicação do DNA. © ci rc ot as u/ iS to ck 1. Introdução O DNA é responsável pelo controle da atividade celular, uma vez que contém as informações necessárias para sintetizar proteínas. Elas são peças essenciais no metabolismo celular, principalmente por atuarem como enzimas em um número imenso de reações químicas, visto que, para sintetizá-las, a célula precisa das infor- mações contidas no material genético. Os dados devem ser passados às células futuras a cada divisão. Qualquer erro nesse processo pode causar falhas graves na síntese de proteínas. 2. Divisão celular Quando uma célula se divide, seja ela somática ou não, é necessário que seu material genético se duplique, por razões matemáticas. A divisão de uma célula envolve todas as suas estruturas de forma complexa, culminando na separação do citoplasma em sua etapa final. Veja a imagem a seguir: © W ar re n Ro se nb er g/ Fu nd am en ta l P ho to gr ap hs Divisão celular citoplasmática de duas células de bolachas-do-mar (equinodermos) Se uma única célula, ao final do processo, transforma- -se em duas, seria de se esperar que o material genético fosse reduzido à metade. Tal fato causaria danos e perda de informações genéticas às células-filhas, obviamente. Para que isso não ocorra, o material genético sofre duplicação antes de a célula se dividir. O fenômeno ocorre da seguinte forma: BIOLOGIA Módulo 18 20 9º Ano célula-mãe duas células-filhas Divisão celular: esquema de divisão simples de uma célula, evidenciando a duplicação do material genético. Animais com DNA imortal Os seres vivos enve- lhecem – isso é fato. A ciência tem buscado estratégias no sentido de minimizar ou retardar o processo de envelhe- cimento. Sabe-se que, a cada divisão, as células e seu DNA tendem a enve- lhecer e a acumular erros. Entretanto, alguns animais específicos possuem moléculas de DNA que parecem não envelhecer com o passar do tempo. O que ocorre é que o DNA desses animais (como peixes, lagostas e várias espécies de tartaruga) sofre poucas modificações – ou essas modificações são tão lentas que parecem não produzir efeito. Cientistas afirmam que, se vivessem em condições ideais, esses seres seriam virtualmente imortais. Entretanto, apesar da constatação científica, tartarugas ficam doentes com o passar do tempo, ao adquirirem lesões e infecções, devido às condições ambientais externas. © pj jo ne s/ iS to ck 3. Duplicação do material genético O próprio material genético é capaz de se autoduplicar por meio de enzimas específicas que agem no processo de forma coordenada e organizada. Para compreender o processo de duplicação, é necessário, inicialmente, relembrar as características da molécula de DNA: adenina timina guanina citosina suporte principal do DNA Dupla-hélice de DNA A molécula de DNA é formada por sequências de nucleotídeos, cada qual composto por uma base nitro- genada, um açúcar e um fosfato. As bases nitrogenadas presentes no DNA são citosina, timina, adenina e guanina, pareadas de acordo com suas afinidades químicas: citosina – guanina adenina – timina Sistemas de reparo de erros do DNA Devido à importância do código genético para uma célula, é imprescindível que sua integridade seja mantida. As informações genéticas são armazenadas no DNA a partir de códigos formados pelas sequên- cias de nucleotídeos contidas em cada um. Trocas de nucleotídeos causadas por radiação ultravioleta, por exemplo, ocasionam perda de função molecular, o que, muitas vezes, pode levar uma célula à falência. O próprio DNA, devido à sua nobre função, apresenta um sistema de reparos de erros, desempe- nhado por proteínas auxiliares. Em bactérias E. coli Núcleo: duplicação do DNA BIOLOGIA Módulo 18 21 9º Ano Em seguida, as fitas serão separadas e cada uma delas será utilizada como molde para a construção de uma nova fita. Como se dá tal construção? Considere a fita molde a seguir, contendo a seguinte sequência de nucleotídeos: A T C C G T T A C G G A T A Tal fita já se encontra separada de sua complementar e, devido à atuação de outra enzima, perdeu sua caracte- rística helicoidal. Em seguida, a enzima DNA polimerase constrói, com base na fita molde, uma nova fita (em vermelho), seguindo os parâmetros de pareamento de bases. A T C C G T T A C G G A T A T A G G C A A T G C C T A T antiga (molde) nova AT CG CG TA CG GC TA TA AT TA AT CG TA T G C C A T A C G G T A GC GC AT TA GC GC AT TA GC GC TA TA GC GC TA TA AT GC GC TA AT GC GC TA AT GC TA AT GC TA CG TA CG TA Para cada fita molde, uma nova fita é criada, seguindo os parâmetros de pareamento já demonstrados. Ao final do processo, são geradas quatro fitas de DNA, duas antigas (moldes) e duas novas. No esquema a seguir, as fitas molde aparecem em azul, enquanto as fitas novas aparecem em amarelo. São formadas, ao todo, quatro fitas, que produzem duas moléculas de DNA, ou seja, o DNA foi efeti- vamente duplicado. Entre- tanto, cada molécula de DNA, ao final do processo, apresenta uma fita antiga (molde) e uma fita nova. Por tal fato, afirma-se que a duplicação do DNA é semiconservativa, ou seja, conserva uma fita molde e acrescenta uma fita nova. existe o sistema de excisão de nucleotídeos, que consiste em um grupo de proteínas capazes de corrigir ligações cruzadas, causadas por radiação, ocorrentes entre nucleotídeos. A G A A C T T C T T G A C T T G A G A A C G A A C T A T T T C T T G A A G A A C T T C T T G A DNA lesado DNA restauradoA lesão eliminada Reparo de um dímero de timina Em outro sistema, bases nitrogenadas alteradas também são corrigidas por proteínas. Sem tais sistemas, o DNA sofreria com a quantidade de erros gerados de forma constante nas células. Apesar da eficiência comprovada dos sistemas, nem todos os erros podem ser reparados. Nesses casos, a própria célula apresenta um meio de tolerá-los para garantir sua sobrevivência. O DNA é formado por duas fitas que correm paralelas, porém em sentidos opostos. Elas são ligadas entre si por meio das bases nitrogenadas e por pontes de hidrogênio (ligações químicas específicas). Inicialmente, para queas informações contidas em ambas as fitas sejam duplicadas, é necessário que se separem. Para isso, uma enzima específica denominada DNA helicase quebra as pontes de hidrogênio existentes entre as bases nitrogenadas, separando as duas fitas de DNA. Observe o esquema: Esquema de duplicação de DNA P D P D P D P D P D D P D P D P D P D P PD P D P D D P D P D P D P P D P D P D PD PD P D P D D P D P D P D P = fosfato D = desoxirribose adenina timina citosina guanina 22 9º Ano BIOLOGIA Módulo 18 01 Explique por que o material genético é duplicado antes de a célula se dividir. 02 Para que ocorra a duplicação do DNA, é necessário que, inicialmente, a dupla fita seja separada por enzimas e, em seguida, a nova fita seja formada, utilizando os princípios de complementaridade de bases. Para cada base citada abaixo, determine a base complementar: a. Citosina. b. Timina. c. Guanina. d. Adenina. 03 A sequência abaixo corresponde à fita molde de DNA utilizada para realizar o processo de duplicação ou replicação. Construa a fita recém-sintetizada a partir das bases nitrogenadas expostas abaixo: T A G G C A T G A C G G A T 04 Duas enzimas desempenham papel extremamente importante no processo de replicação do DNA. Uma está destinada a separar as fitas complementares, a outra é responsável por construir a fita complementar, adicio- nando nucleotídeos à nova fita formada. Os nomes das duas enzimas, respectivamente, são: (A) DNA helicase; DNA espiralase. (B) DNA polimerase; DNA helicase. (C) DNA espiralase; DNA polimerase. (D) DNA helicase; DNA polimerase. 05 O que significa dizer que a duplicação do DNA é semiconservativa? 01 Em 1953, o biólogo norte-americano James D. Watson e o físico inglês Francis H. C. Crick propuseram um modelo para explicar a estrutura da molécula de DNA. Além de justificar as propriedades químicas e físicas da molécula, o modelo esclarecia também sua duplicação ou replicação. Sabe-se que a fidelidade da replicação é muito grande, com uma média de apenas um erro para cada bilhão de nucleotídeos incorporados após a síntese e correção de erros durante e imediatamente após a replicação. A replicação do DNA ocorre de forma que uma molécula de DNA origina duas outras moléculas de DNA. Esse processo é chamado de: (A) replicação irruptiva. (B) replicação conservativa. (C) replicação interativa. (D) replicação semiconservativa. (E) replicação semidestrutiva. 02 No processo de duplicação de DNA, uma enzima é responsável por possibilitar a ligação entre os nucleotídeos que estão formando a nova fita. Marque a alternativa que indica corretamente o nome dessa enzima: (A) DNA helicase. (B) DNA polimerase. (C) RNA polimerase. (D) DNA ligase. (E) RNA ligase. 03 Nos dias atuais, podemos dizer que praticamente todos os seres humanos já ouviram falar sobre o DNA e seu papel na hereditariedade da maioria dos organismos em algum momento. Porém, apenas em 1952, um ano antes da descrição do modelo do DNA em dupla-hélice por Watson e Crick, foi confirmado sem sombra de dúvida que o DNA é material genético. No artigo em que Watson e Crick descreveram a molécula de DNA, eles sugeriram um mecanismo pelo qual essa molécula deveria se replicar. Em 1958, Meselson e Stahl realizaram experimentos utilizando isótopos pesados de nitrogênio que foram incorporados às bases nitrogenadas para avaliar como se daria a replicação da molécula. A partir dos resultados, confirmaram o modelo sugerido por Watson e Crick, que tinha como premissa básica o rompimento das pontes de hidrogênio entre as bases nitrogenadas. GRIFFITHS, A. J. F. et al. Introdução à Genética. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2002. Núcleo: duplicação do DNA BIOLOGIA Módulo 18 23 9º Ano Considerando a estrutura da molécula de DNA e a posição das pontes de hidrogênio nela presentes, os experimentos realizados por Meselson e Stahl a respeito da replicação dessa molécula levaram à conclusão de que: (A) a replicação do DNA é conservativa, isto é, a fita dupla filha é recém-sintetizada e o filamento parental é conservado. (B) a replicação de DNA é dispersiva, isto é, as fitas filhas contêm DNA recém-sintetizado e parentais em cada uma das fitas. (C) a replicação é semiconservativa, isto é, as fitas filhas consistem de uma fita parental e uma recém- -sintetizada. (D) a replicação do DNA é conservativa, isto é, as fitas filhas consistem de moléculas de DNA parental. (E) a replicação é semiconservativa, isto é, as fitas filhas consistem de uma fita molde e uma fita codificadora. 04 Depois da descoberta da estrutura da molécula do ácido desoxirribonucleico (DNA ou ADN), novos métodos de diagnóstico foram desenvolvidos e utilizados para inúmeros fins (identificação de microrganismos patogênicos, testes de paternidade, mapa genético, medicina forense, entre outros). Sobre o assunto, é possível afirmar que: (A) a molécula de DNA é constituída por uma fita única e por vários nucleotídeos que têm a transcrição como principal função. (B) a molécula de DNA nas bactérias se encontra na carioteca da célula. (C) a molécula de DNA não é capaz de produzir a molécula de RNA. (D) a molécula de DNA tem função de duplicação e é constituída por uma fita dupla, sendo que cada filamento é composto por vários nucleotídeos. (E) a molécula de DNA, nos organismos eucariontes, não se encontra no núcleo da célula. 05 A identificação da estrutura do DNA foi fundamental para compreender seu papel na continuidade da vida. Na década de 1950, um estudo pioneiro determinou a proporção das bases nitrogenadas que compõem moléculas de DNA de várias espécies. Exemplos de materiais analisados Bases nitrogenadas Adenina Guanina Citosina Timina Espermatozoide humano 30,7% 19,3% 18,8% 31,2% Fígado humano 30,4% 19,5% 19,9% 30,2% Medula óssea de rato 28,6% 21,4% 21,5% 28,5% Espermatozoide de ouriço-do-mar 32,8% 17,7% 18,4% 32,1% Plântulas de trigo 27,9% 21,8% 22,7% 27,6% Bactéria E. coli 26,1% 24,8% 23,9% 25,1% A comparação das proporções permitiu concluir que ocorre emparelhamento entre as bases nitrogenadas e que elas formam: (A) pares de mesmo tipo em todas as espécies, eviden- ciando a universalidade da estrutura do DNA. (B) pares diferentes, de acordo com a espécie conside- rada, o que garante a diversidade da vida. (C) pares diferentes em diversas células de uma espécie, como resultado da diferenciação celular. (D) pares específicos apenas nos gametas, pois essas células são responsáveis pela perpetuação das espécies. (E) pares específicos somente nas bactérias, pois esses organismos são formados por uma única célula. 06 Observe a sequência de bases nitrogenadas de uma fita molde de DNA que será replicada: ATT-AGC-AAA A fita complementar de DNA que será formada terá as seguintes bases nitrogenadas: (A) UAA-UCG-UUU. (B) UAA-UCG-TTT. (C) UTT-UCG-UUU. (D) TAA-TCG-TTT. (E) TUU-TCG-TTT. 24 9º Ano BIOLOGIA Módulo 18 07 Observe a figura abaixo: Com base em seus conhecimentos sobre a molécula repre- sentada, marque a opção que corresponde ao processo representado na imagem: (A) Transcrição gênica. (B) Tradução proteica. (C) Formação de aminoácidos. (D) Replicação do DNA. (E) Transcrição do DNA. 08 O DNA é uma molécula formada por uma dupla fita enrolada, que forma uma estrutura helicoidal. Essa molécula se caracteriza pela sua capacidade de autodu- plicação, um processo conhecido como: (A) tradução. (B) replicação. (C) transdução. (D) transcrição. (E) retificação. 09 Durante um processo de duplicação do DNA, nucleotídeos livres encontrados no núcleo da célula vão se emparelhando sobre a fita molde. O emparelhamento obedece a algumas regras; a base adenina, por exemplo, só se emparelha com: (A) citosina. (B) uracila. (C) guanina. (D) timina. (E) adenina. 10 A tabela mostra a composição das bases nitrogenadas púricas, adenina e guanina, nos DNAs do homem e do boi:Adenina Guanina Homem 30,4% ? Boi ? 21,0% As porcentagens que estão faltando para o homem e para o boi são, respectivamente: (A) 19,6 e 29,0. (B) 21,0 e 30,4. (C) 29,0 e 30,4. (D) 19,6 e 21,0. (E) 30,4 e 21,0. 01 (UFG) Em setembro de 1957, após os primeiros experimentos que culminaram na determinação da estrutura tridimen- sional do DNA, o cientista Francis Crick fez a seguinte declaração: “É difícil resistir à conclusão de que o DNA é material genético. Se este for o caso, nosso problema é aprender como o DNA reproduz a si mesmo [....]. A ideia básica é a de que duas cadeias de DNA, que se encaixam como uma mão em uma luva, são separadas de alguma forma e a mão, então, serve como molde para uma nova luva, enquanto a luva atua como molde para uma nova mão. Consequen- temente, teremos duas mãos usando luvas onde havia apenas uma. Em termos químicos, imaginávamos que os monômeros fornecidos pela célula se alinham ao longo da cadeia molde com bases complementares formando pares.” SCHLENOFF, Daniel C., “O Progresso de Crick”. Scientific American Brasil, São Paulo, ano 6, n. 64, set. 2007. p. 10 (adaptado). Tendo como base a declaração de Crick, explique o processo de duplicação semiconservativa do DNA. Núcleo: duplicação do DNA BIOLOGIA Módulo 18 25 9º Ano 02 (UERJ) Células imortais contam aos cientistas história da evolução da humanidade Essas células formam um livro, conservado em tanques de nitrogênio líquido, que guarda informações desconhecidas sobre a humanidade. Os capítulos contam diferentes detalhes da saga do homem na Terra: suas andanças pelos continentes, casamentos ancestrais e os ataques de doenças. O Globo (adaptado). a. Explique por que o processo de autoduplicação do DNA dá significado à hereditariedade, permitindo revelar a história da evolução da humanidade. b. “... suas andanças pelos continentes, casamentos ancestrais e os ataques de doenças” podem ser estudados por meio de observações de características morfológicas e fisiológicas da célula. Nomeie o processo pelo qual o DNA é capaz de controlar e interferir nas características morfológicas e fisiológicas da célula. _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 26 9º Ano BIOLOGIA Módulo 18 Núcleo: síntese proteica (I) Você sabia que existem proteínas capazes de causar doenças graves, como o Alzheimer? O organismo humano expressa suas diferentes carac- terísticas por meio de proteínas que são sintetizadas em cada célula. Por exemplo, a cor da pele é dada pela maior ou menor expressão da proteína melanina, assim como a cor dos olhos e dos cabelos. O funcionamento dos rins, por exemplo, vai depender do correto desempenho de suas enzimas, que nada mais são do que proteínas. Entretanto, algumas delas, quando acumuladas em determinadas células do organismo, causam doenças graves, como é o caso da doença de Alzheimer, na qual o acúmulo de uma proteína chamada beta-amiloide leva ao mau funciona- mento da comunicação entre os neurônios, ocasionando perda progressiva de memória e de atividades cognitivas. Neste módulo, entenderemos como o processo de síntese proteica ocorre nas células e qual a relação entre ele e os comandos ditados pela molécula de DNA. ExpEctativas dE aprEndizagEm: – Explicar o processo de transcrição; – interpretar o papel da enzima RNA polimerase; – inferir a sequência de nucleotídeos de um RNAm a partir de um trecho de DNA. © w ild pi xe l/ iS to ck 1. Introdução Proteínas exercem diferentes funções em uma célula. Apresentam funções que vão desde a catálise de reações químicas até a constituição de células musculares. São capazes de regular processos metabólicos, de atuar como hormônios, entre outras inúmeras funções inerentes à vida das células. Por sua atuação nas células e nos organismos, o processo de “construção” dessas moléculas deve ocorrer de forma precisa e com o mínimo de erros possível. Como a célula sabe quais proteínas precisa produzir? O processo de síntese proteica, ou seja, de criação das proteínas, não ocorre de forma aleatória, mas é guiado integralmente pelas informações existentes no material genético da célula. Em outras palavras, todas as informa- ções necessárias para a criação das diferentes proteínas de uma célula residem no código genético. orientação DNA → síntese de proteínas Para compreender como o processo ocorre, é neces- sário relembrar conceitos bioquímicos relacionados às proteínas. Tais moléculas são formadas por aminoácidos conectados entre si por ligações peptídicas(ligações químicas específicas existentes entre aminoácidos). Observe o esquema abaixo: aminoácidos aminoácidos alanina (Ala) Ala Leu Ser Cysgrupo amina grupo ácido carboxílico NH2 CH3 COOH grupo R H C As proteínas são polímeros de aminoácidos A fim de produzir proteínas, as células se utilizam de mais ou menos 20 aminoácidos diferentes. Entretanto, a quantidade de proteínas existentes em uma célula ultra- passa em muito a quantidade de aminoácidos existentes. BIOLOGIA 27 9º AnoMódulo 19 Como a célula é capaz de produzir uma quantidade tão grande de proteínas utilizando apenas 20 aminoácidos diferentes? As diferentes proteínas são produzidas a partir de combinações entre os aminoácidos existentes, podendo estes se repetir várias vezes em uma sequência peptídica. Observe o esquema a seguir: R H H H CN C O O H grupamento amino cadeia lateral grupamento ácido carboxílico Estrutura química dos aminoácidos. A cadeia lateral (R) é a porção que difere em cada um dos 20 aminoácidos Observando o esquema de uma proteína e seus aminoácidos, pode-se perceber que alguns deles se repetem várias vezes ao longo da cadeia. Além disso, cada cadeia de proteínas pode variar a quantidade de seus aminoácidos, o que aumenta muito o número de possibi- lidades. Caso fossem substituídos alguns aminoácidos da cadeia por outros distintos, a proteína em questão seria completamente diferente e talvez perdesse sua função. Isso significa que, para formar uma proteína específica na célula, a ordem e os tipos de aminoácidos, bem como a quantidade, são essenciais. Mas como a célula sabe exatamente a sequência de aminoácidos presentes em cada proteína? Esse papel, mais uma vez, cabe ao DNA. Suas sequências genéticas (genes) fornecem as informações necessárias para a formação das proteínas. Em outras palavras, cada gene do DNA corresponde a uma proteína a ser sintetizada. O código genético acaba funcionando como um imenso livro de receitas, em que cada gene é uma receita para produzir uma proteína. A partir de agora, será possível compreender melhor como se dá o processo de síntese proteica, o qual pode ser dividido em duas etapas principais: transcrição e tradução. A primeira etapa ocorre no núcleo das células, no qual se localiza o seu material genético, enquanto a segunda etapa ocorre no citoplasma. Doença da vaca louca e a produção de proteínas no corpo © G A RO /P H A N IE /g et ty im ag es Sabe-se que a produção de proteínas é essencial para que um organismo desempenhe suas funções e expresse suas características. Dessa maneira, a síntese proteica que ocorre em cada célula do corpo é um processo vital para o funcionamento do organismo. Vimos, por meio da leitura do texto motivador deste módulo, que algumas doenças podem ser causadas pelo acúmulo de proteínas específicas, como ocorre na doença de Alzheimer. Porém, outra doença está associada a tal fato, um mal conhecido como doença da vaca louca. A enfermidade, cujo nome específico é encefalopatia espongiforme bovina, afeta o gado, porém pode ser transmitida aos humanos que porventura vierem a ingerir carne contaminada. O mal da vaca louca se manifesta devido ao acúmulo de uma proteína denominada príon, a qual possui a capacidade de formar cadeias entre proteínas do mesmo tipo, acumulando-se no sistema nervoso. O acúmulo de proteínas leva os tecidos neuronais ao rompimento, deixando seu aspecto esponjoso, o que dá nome à doença. Todas as encefalopatias espongiformes são incuráveis, transmissíveis e fatais. 2. Transcrição O processo inicia-se com a leitura do código genético presente no DNA. Entretanto, o material genético localiza-se no núcleo da célula, enquanto a maquinaria para a síntese proteica localiza-se no cito- plasma. A saída do DNA do núcleo e seu deslocamento até o citoplasma poderia causar danos ao material genético 28 9º Ano BIOLOGIA Módulo 19 2.1 De que maneira ocorre a transcrição? De que maneira a célula vai criar cópias do DNA? Criando outro? Na verdade, não. O DNA é uma molécula complexa formada por duas fitas ligadas entre si por pontes de hidrogênio. Outra forma mais simples de criar cópias é utilizar o RNA, molécula simples, de fita única. Sem dúvida, gasta menos energia criar cópias utilizando moléculas de RNA do que de DNA. Logo, a partir do material genético original, serão criadas cópias de RNA mensageiro ou RNAm, que serão enviadas ao citoplasma posteriormente. As cópias são criadas com auxílio de enzimas especí- ficas, respeitando os princípios de complementaridade de bases. Inicialmente, as duas fitas de DNA são separadas enzimaticamente, enquanto uma das fitas servirá como fita molde para a criação do RNA mensageiro. Após a separação da dupla fita de DNA, a enzima RNA polimerase é que unirá os nucleotídeos, a fim de sintetizar uma fita de RNAm complementar ao gene que codifica a proteína de interesse. DNA RNA transcrito RNA polimerase direção da transcrição Considerando uma fita molde hipotética de DNA (a seguir), temos uma fita de RNAm criada a partir da fita molde, respeitando a ligação entre adenina e timina, citosina e guanina e timina e uracila. A T T C G A A C G T U A A G C U U G C A fita molde de DNA RNA mensageiro Obs.: Lembre-se de que não há bases nitrogenadas do tipo timina nas fitas de RNA, portanto, encontraremos nucleotídeos cujas bases nitrogenadas são uracilas. devido à presença de enzimas citoplasmáticas. A ida de toda a maquinaria de síntese proteica até o núcleo também não é uma opção viável. A solução é criar uma cópia de todas as mensagens genéticas contidas no DNA e endereçá-la ao citoplasma. Tal cópia iria até seu destino, mantendo o material genético da célula seguro no interior do núcleo. DNA transcrição RNA material genético → cópia do material genético núcleo → citoplasma Para entender melhor, suponha-se alguém que guarde em casa um precioso livro de receitas, que esteja na família por várias gerações. Tal livro contém informações de receitas passadas desde os seus antepassados, e foi dada a essa pessoa da família a honra de guardá-lo. Ela o mantém em um armário na sala. Um dia, ela resolve fazer um bolo cuja receita se encontra no livro. Com medo de levá-lo até a cozinha e estragá-lo, já que suas folhas estão ressecadas e podem se partir, ela rapidamente copia a receita em outro papel e a leva até lá. Tudo resolvido! O livro está guardado no armário, a salvo de avarias, e a receita será feita na cozinha como deve ser. Por isso, a necessidade de se criarem cópias do DNA para enviá-las ao citoplasma, quando a síntese proteica ocorrer. O processo de criação de cópias do DNA é chamado transcrição. DNA RNA transcrição tradução duplicação proteína DNA Os processos de duplicação, transcrição e tradução Núcleo: síntese proteica (I) BIOLOGIA Módulo 19 29 9º Ano Uma vez criada a fita de RNA mensageiro, esta se separa da fita molde de DNA, que, por sua vez, associa- -se novamente ao outro filamento de DNA previamente separado. O RNA mensageiro será, então, direcionado ao citoplasma para dar início à síntese das proteínas. 01 Explique de forma sucinta qual a relação entre as proteínas sintetizadas em uma célula e o código genético contido no DNA celular. 02 O processo de síntese proteica pode ser dividido em duas etapas principais: a transcrição e a tradução. Resuma no que consiste o processo de transcrição, citando elementos celulares nele envolvidos. 03 Qual o papel do RNA mensageiro no processo de transcrição do DNA? 04 Dada a sequência genética abaixo, monte a fita de RNA mensageiro gerada a partir do processo de transcrição: A T T C G A A C G T ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... fita molde de DNA RNA mensageiro 05 A respeito do processo de transcrição, marque a alternativa que indica corretamente o nome da enzima responsávelpor orientar o emparelhamento dos ribonucleotídeos: (A) RNA polimerase. (B) DNA polimerase. (C) Fator de liberação. (D) Aminoacil-tRNA sintetase. (E) Peptidil transferase. 01 Um filamento duplo de DNA com 320 nucleotídeos formará, na transcrição, um RNAm com número de nucleotídeos igual a: (A) 160. (D) 321. (B) 319. (E) 159. (C) 320. 02 O esquema da figura abaixo relaciona-se com os ácidos nucleicos: 1 2 3RNA polimerase Com base no esquema e em seus conhecimentos sobre a duplicação do DNA e o processo de transcrição, é possível afirmar que: (A) em 1, o DNA está acoplado a uma cadeia de RNA, dando início ao processo de síntese de proteínas. (B) em 2, a dupla cadeia de nucleotídeos do DNA apresenta uma região de separação, com rompimento de ligações covalentes. (C) em 3, é exemplificada a formação de uma molécula de RNA transportador contendo informações trans- critas a partir do DNA. (D) uma molécula de DNA com a sequência de bases GCGTATTAT produzirá um RNAm com a sequência de bases CGCCAUAACC. (E) em 2, observa-se a fita de DNA sendo aberta pela ação da da DNA helicase. 03 Denomina-se transcrição o processo no qual uma molécula de RNA é formada utilizando-se como base: (A) outra molécula de RNA. (B) as duas fitas de uma molécula de DNA. (C) um das fitas de uma molécula de DNA. (D) uma proteína. (E) um aminoácido. 04 Na medicina moderna, drogas conhecidas como anti sense têm sido utilizadas com sucesso no bloqueio da expressão de genes indesejáveis. Essas drogas são, na realidade, sequências de nucleotídeos de RNA que têm complementaridade de bases com o RNAm. Esses nucleotídeos (anti sense) ligam-se ao RNAm, no citoplasma, impedindo a expressão gênica. Com base na afirmativa anterior, marque a sequência correta da droga anti sense para o segmento gênico hipotético ATATGCAGCAGTATG: (A) AUAUGCAGCAGUAUG. (B) ATATGCAGCAGTATG. (C) TATACGTCGTCATAC. (D) UAUACGUCGUCAUAC. (E) TATACGUGCUCATAC. 30 9º Ano BIOLOGIA Módulo 19 05 Observe o esquema que representa de forma resumida uma etapa da síntese proteica que ocorre em uma célula eucariótica: T A C C A C A G C X Pode-se afirmar que a molécula indicada pela letra X corresponde ao: (A) DNA, e a sua sequência de códons seria ATG GTG TCG. (B) DNA, e a sua sequência de códons seria AUG GUG UCG. (C) RNA mensageiro, e a sua sequência de códons seria ATG GTG TCG. (D) RNA mensageiro, e a sua sequência de códons seria AUG GUG UCG. (E) RNA transportador, e a sua sequência de anticódons seria UAG GUG UCG. 06 (...) De outro lado, o galardão de química ficou com os inventores de ferramentas para estudar proteínas, os verdadeiros atores do drama molecular da vida. É verdade que a Fundação Nobel ainda fala no DNA como o diretor de cena a comandar a ação das proteínas, mas talvez não seja pretensioso supor que foi um lapso, e que o sinal emitido por essas premiações aponta o verdadeiro futuro da pesquisa biológica e médica muito além dos genomas e de seu sequenciamento (uma simples soletração). (...) LEITE, Marcelo. “De volta ao sequenciamento”. Folha de S. Paulo. 20 jan. 2002. O autor refere-se às proteínas como “atores do drama molecular” e ao DNA como “diretor de cena”. Essa refe- rência deve-se ao fato de: (A) não ocorrer uma correlação funcional entre DNA e proteínas no meio celular. (B) o DNA controlar a produção de proteínas e também atuar como catalisador de rações químicas celulares. (C) o material genético ser constituído por proteínas. (D) as proteínas não terem controle sobre o metabolismo celular. (E) o DNA controlar a produção de proteínas e estas controlarem a atividade celular. 07 Na embalagem de um antibiótico, encontra-se uma bula que, entre outras informações, explica a ação do remédio do seguinte modo: “O medicamento atua por inibição da síntese proteica bacteriana.” Essa afirmação permite concluir que o antibiótico: (A) impede a fotossíntese realizada pelas bactérias causadoras da doença e, assim, elas não se alimentam e morrem. (B) altera as informações genéticas das bactérias causa- doras da doença, o que impede a manutenção e a reprodução desses organismos. (C) dissolve as membranas das bactérias responsáveis pela doença, o que dificulta o transporte de nutrientes e provoca a morte delas. (D) elimina os vírus causadores da doença, pois não conseguem obter as proteínas que seriam produzidas pelas bactérias que parasitam. (E) interrompe a produção de proteína das bactérias causadoras da doença, o que impede sua multipli- cação pelo bloqueio de funções vitais. 08 O fenômeno mostrado na figura abaixo é denominado: G A A A T A T G A C T G A C T G A C T G A C T G A C T G A C T G A C T G A C T G A C T U G A C T U GC (A) duplicação do DNA. (B) transcrição gênica. (C) tradução do RNA viral. (D) permutação genética. (E) reparo do DNA viral. Núcleo: síntese proteica (I) BIOLOGIA Módulo 19 31 9º Ano 09 Sabe-se que o emparelhamento dos ribonucleotídeos obedece a algumas regras e que as bases nitrogenadas de uma molécula de RNA obedecem à sequência determi- nada pelo DNA. Com base nisso, marque a alternativa que indica a sequência de bases de um RNA formado a partir do molde de DNA TCGTA: (A) UACUG. (B) AGCAU. (C) ACGAT. (D) CAGCU. 10 O DNA diferencia-se do RNA pelo seu açúcar e por suas bases nitrogenadas. Marque a alternativa em que se encontra uma base nitrogenada que não está presente em uma molécula de RNA: (A) Uracila. (B) Adenina. (C) Timina. (D) Citosina. (E) Guanina. 01 Em 25 de abril de 1953, um estudo de uma única página na revista inglesa Nature intitulado “A estrutura molecular dos ácidos nucleicos”, quase ignorado de início, revolucionou para sempre todas as ciências da vida – seja do homem, do rato, da planta ou da bactéria. James Watson e Francis Crick descobriram a estrutura do DNA, que permitiu posteriormente decifrar o código genético determinante para a síntese proteica. a. Watson e Crick demonstraram que a estrutura do DNA se assemelha a uma escada retorcida. Explique a que correspondem os “corrimãos” e os “degraus” dessa escada. b. Que relação existe entre DNA, RNA e síntese proteica? c. Como podemos diferenciar duas proteínas? 02 O jornal Folha de S. Paulo (23/9/2020) noticiou que um cientista espanhol afirmou ter encontrado proteínas no ovo fóssil de um dinossauro que poderiam ajudá-lo a reconstituir o DNA desses animais. Faça um esquema simples, formado por palavras e setas, demonstrando como, a partir de uma sequência de DNA, obtém-se uma proteína. _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________________________________________________________________________
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