Tema 1 - Introdução à Biologia Molecular

Prévia do material em texto

02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 1/29
Introdução
à Biologia
Molecular
Prof. Eldio Gonçalves dos Santos
Descrição
A construção história da Biologia Molecular e seu emprego no estudo das moléculas presentes nas células responsáveis pela manutenção da vida,
como o DNA, o RNA e as proteínas.
Propósito
Compreender como o RNA e o DNA foram descobertos e a importância dessas moléculas para as células procariontes e eucariontes.
Objetivos
Módulo 1
A origem da vida e a organização gênica nos organismos
Descrever a história da Biologia Molecular, a origem da vida e a organização gênica nos organismos.
Módulo 2
Mecanismos de regulação da expressão gênica
Reconhecer alguns dos mecanismos de regulação da expressão gênica nos procariotos e eucariotos.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 2/29
Introdução
A Biologia Molecular é a área da Biologia que estuda as moléculas presentes nas células responsáveis pela manutenção da vida. Vamos iniciar
nosso aprendizado sobre, possivelmente, as moléculas mais importantes para a existência da vida na Terra: os ácidos nucleicos RNA e DNA. Você
sabia que até mesmo os vírus, microrganismos intracelulares obrigatórios, apresentam ácidos nucleicos? Não existe sequer um ser vivo que não
tenha moléculas de RNA ou DNA.
Vamos explorar um breve histórico sobre como começaram os estudos da Biologia Molecular, passando pela provável origem da vida na Terra,
conhecendo as estruturas e composições dos ácidos nucleicos e observando como é dada a organização deste material em diferentes seres vivos.
Aprenderemos alguns dos mecanismos de regulação gênica dos procariotos e os eucariotos e, por fim, noções de epigenética.
Vamos juntos?
1 - A origem da vida e a organização gênica nos organismos
Ao �nal deste módulo, você será capaz de descrever a história da Biologia Molecular, a origem da vida e a organização gênica
nos organismos.
Histórico da biologia molecular
Nosso histórico começa em 1869 com um bioquímico suíço chamado Johannes Friedrich Miescher.
Em seus estudos, ele buscava determinar quais os componentes químicos que existem dentro dos glóbulos brancos (leucócitos), presentes no pus
de feridas, que, de modo geral, possuem um núcleo grande e bem definido.

02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 3/29
No interior desse núcleo, ele observou uma grande quantidade de um composto ácido que continha átomos de nitrogênio e fósforo, nomeando-o de
nucleína por estar localizado no núcleo. Mal ele sabia da importância desta descoberta!
Friedrich Miescher.
lóbulos brancos
Receberam esse nome devido às características físicas do sangue após a centrifugação, que apresentam uma camada fina de células brancas,
compostas pelos leucócitos.
Diversos outros cientistas continuaram investigando o tal composto nucleína, entre eles Albrecht Kossel, que em 1880 demonstrou que na nucleína
existiam diferentes bases nitrogenadas. Richard Altmann em 1889 conseguiu purificar a nucleína e nomeou o purificado de ácido nucleico. Com o
tempo, os ácidos nucleicos foram ainda mais estudados, pareciam muito importantes já que praticamente todas as células possuíam esse material.
Foram descobertas quatro diferentes bases nitrogenadas, as bases púricas: adenina e guanina e as bases pirimídicas: citosina e timina, todas com
um glicídio desoxirribose.
Nucleotídeo, contendo a base nitrogenada, o fosfato e a pentose.
Essas bases podiam estar ligadas entre si, sempre obedecendo a um padrão, onde a adenina se associava à timina por 2 ligações de hidrogênio e a
guanina se associava à citosina por 3 ligações, sendo esta interação a mais estável devido à maior quantidade de ligações.
Bases nitrogenadas e suas interações por ligação de hidrogênio. O grupamento R nas riboses consiste em um OH e nas desoxirriboses de um H.
Entretanto, havia um fato curioso: a presença de uma base diferente, chamada de uracila, em alguns desses materiais. Essa base apresentava uma
ribose no lugar da desoxirribose e se ligava à timina no lugar da adenina. As moléculas que continham desoxirribose foram nomeadas de ácido
desoxirribonucleico (ADN), em inglês Deoxyribonucleic Acid, o famoso DNA. As moléculas com ribose como glicídio foram nomeadas de ácido
ribonucleico (ARN), em inglês Ribonucleic Acid, conhecido como RNA.
ibose
Aldopentose (apresenta um grupo funcional aldeído), com cinco átomos de carbono (pentose) e um grupamento hidroxila (-OH) na posição 2.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 4/29
Todas as bases nitrogenadas.
Vamos agora juntar todos os conceitos estabelecidos para entendermos como é a estrutura do DNA e do RNA. Um nucleotídeo é um conjunto
formado por uma base nitrogenada, que pode ser uma purina ou pirimidina. Dentre as purinas, temos a adenina e a guanina; entre as pirimidinas,
temos a citosina e a timina, no caso de uma molécula de DNA, e o uracil(a), no caso de uma molécula de RNA. A ligação entre as bases é realizada
entre a molécula de açúcar, de uma ribose para o RNA ou uma desoxirribose para o DNA, com o grupamento fosfato da base adjacente, na ligação
conhecida como ligação fosfodiéster.
Ligação fosfodiéster entre nucleotídeos da mesma fita de DNA.
A estrutura do DNA encontra-se em fita dupla. A união entre as duas fitas se dá por ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas, como
demonstrado. Vamos voltar para a nossa história!
Em 1953, uma dupla de cientistas, James Watson e Francis Crick, publicou um artigo na revista Nature chamado de Molecular Structure of Nucleic
Acids. Eles eram contrários às ideias que existiam na época a respeito da estrutura do DNA. Entre os modelos antigos, o que mais se destacou foi o
Modelo de Linus Pauling; ele acreditava que o DNA era interligado pelos grupamentos fosfatos, formando uma coluna. Watson e Crick, baseados em
uma foto tirada por Rosalind Franklin, propuseram uma nova estrutura para essa molécula. A estrutura era uma dupla hélice, com as bases
nitrogenadas purinas se ligando às pirimidinas no centro da hélice espiralada, sendo muito parecida com a que usamos até hoje.
Foto de raios X tirada por Rosalind Franklin, responsável pelas conclusões de Watson e Crick.
odelo de Linus Pauling
Modelo de estrutura de uma molécula de DNA proposta por Linus Pauling. Essa proposta atualmente é considerada obsoleta.
oto
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 5/29
É tirada utilizando difração de raios X, técnica onde um feixe de raios atravessa uma molécula cristalizada e mancha um filme atrás, revelando assim
uma imagem por onde esses raios X foram difratados. É semelhante aos nossos raios X atuais de ossos, mas com pequenas moléculas.
Com a estrutura do DNA resolvida e com o conhecimento sobre a química dessas moléculas, faltava agora entender a atuação e a organização
delas nas células e por que eram tão importantes. Ao longo dos anos, o conhecimento sobre o DNA e o RNA vem crescendo. Hoje, com técnicas de
sequenciamento do DNA, podemos, por exemplo, ver rapidamente se algum indivíduo possui propensão a determinado câncer analisando a sua
sequência de DNA. Estamos começando a ter mais segurança na edição genética, e um dia poderemos curar doenças que ainda nem se
manifestaram.
Atualmente, podemos quantificar esse material genético que expressamos para diagnosticar doenças, como a covid-19, e modificar outros
organismos para que produzam nossas proteínas. É dessa forma que algumas das insulinas vendidas na farmácia são produzidas. Existem
inúmeras possibilidades decorrentes do desenvolvimento da Biologia Molecular.
A origem da vida
A origem da vida sempre despertou curiosidade. Ao longo dos anos,existiram diversas teorias, algumas se provaram erradas e outras se mantêm
até hoje.
Você imagina como a vida começou? Vamos conhecer um pouco dessas teorias?
Sabemos que átomos podem fazer ligações de maneira espontânea desde que estejam em um ambiente favorável e tenham afinidade um pelo
outro, ou seja, ao se ligarem, encontram estabilidade, assim são construídas as moléculas. Dentre as teorias existentes, uma delas, a teoria de
Oparin e Haldane, era justamente a ideia da formação espontânea de pequenas moléculas orgânicas, as quais, com o tempo, passaram a se
organizar de maneira cada vez mais complexa até se replicarem e evoluírem, formando as células primitivas.
Em 1953, Stanley Miller tentou provar que era possível existir a criação espontânea de moléculas orgânicas na Terra, desde que o ambiente fosse
favorável. Ele fez um experimento simulando como possivelmente era a atmosfera primitiva da Terra, cerca de 4 bilhões de anos atrás. No seu
experimento, tinham moléculas, como gás hidrogênio, metano e vapor de água, que eram bastante comuns no ambiente primitivo. Esses gases, na
presença de uma descarga elétrica, como um raio, ligavam-se formando diversas moléculas orgânicas, dentre elas os aminoácidos alanina, glicina e
ácido aspártico.
Experimento de Miller.
A teoria de Oparin e Haldane continuou ganhando relevância à medida que novos estudos foram realizados, dentre eles os estudos do geólogo
Michael Russell. Russell demonstrou que existem fontes de águas termais no fundo dos oceanos aquecidas pelo manto da Terra, que jorram água
alcalina. Essas fontes são ricas em minérios de ferro, níquel e enxofre dissolvidos. A reação desses minérios com o gás carbônico, hidrogênio
reativo e moléculas de água é capaz de produzir compostos orgânicos, como hidrocarbonetos e até mesmo nucleotídeos.
Uma das descobertas mais incríveis sobre essas fontes termais são as reações químicas que lá ocorrem e como a geração dessas moléculas
orgânicas acontece. As fontes termais são ricas em minerais, sendo assim, possuem um elemento que pode ser oxidado, como o ferro. O elétron
oriundo da oxidação é carregado pelos núcleos metálicos desses minerais até chegar ao aceptor final de elétrons, este pode ser o monóxido ou o
dióxido de carbono, que vai ser reduzido gerando a energia necessária para a confecção das moléculas orgânicas.
Você já ouviu falar de um mecanismo parecido com esse anteriormente, onde um elétron percorre uma cadeia até chegar
ao seu aceptor gerando energia?
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 6/29
Exatamente! É de maneira muito semelhante a esta que diversos seres vivos produzem energia como nós. Esse mecanismo ocorre durante a
fosforilação oxidativa nas mitocôndrias, etapa metabólica da nossa respiração celular. Isso mostra um elo entre todos os nossos ancestrais,
fortalecendo a hipótese de que a vida se originou dessas fontes de águas termais há muitos anos.
No entanto, ainda temos diversas perguntas para serem respondidas. Hoje, essa é a teoria melhor aceita para a origem da vida.
Fonte termal vulcânica, a possível origem da vida.
A teoria da panspermia surgiu a partir da observação de compostos orgânicos presentes em meteoritos e ganhou força a partir de 1997 com a
análise do Meteorito de Muchinson. Os pesquisadores encontraram diversos aminoácidos e adenina, presente no nosso DNA, que datavam de
aproximadamente 7 bilhões de anos, sendo assim mais antigos que nosso próprio planeta, que possui cerca de 4,5 bilhões de anos. Apesar de
muito interessante, essa teoria não possui evidências científicas suficientes para explicar a origem da vida no nosso planeta, diferente da teoria de
Oparin e Haldane.
Meteorito de Muchinson.
Entretanto, é muito interessante imaginar que, em outros lugares do Universo, existem compostos orgânicos e quem sabe até mesmo vida.
Essas amostras extraterrestres evidenciaram também que é possível a criação de matéria orgânica, incluindo bases presentes no DNA e no RNA.
Em um mundo onde existiam alguns nucleotídeos, aminoácidos e hidrocarbonetos, essas moléculas começaram a interagir entre si, formando
cadeias cada vez mais complexas, ligações entre diferentes nucleotídeos formaram os primeiros RNAs e ligações entre diferentes aminoácidos
formaram os oligopeptídeos.
A interação entre os oligopeptídeos e o RNA leva a benefícios mútuos, gerando, por exemplo, estabilidade na estrutura de ambos, originando
maiores quantidades de determinadas estruturas.
Imagine essas diversas interações por milhares e milhares de anos, é natural que, com o tempo, estruturas mais complexas se formem e se
mantenham. Hoje, temos o conhecimento que tanto o RNA quanto pequenos peptídeos conseguem realizar reações químicas com diversas funções
(neurotransmissores, hormônios, regulação gênica etc). Recentemente, foi descoberto que o RNA seria capaz até mesmo de se autorreplicar,
gerando outras moléculas de RNA também capazes de se autorreplicarem, assim a evolução poderia acontecer ainda mais rápido, isso é o chamado
“Mundo RNA”.
Naquele mesmo ambiente, existiam outros compostos orgânicos, como os primeiros lipídeos oriundos dos hidrocarbonetos formados.
Você já jogou um pouco de óleo na água? Sabe que não se misturam, certo?
Isso se dá a partir da característica anfipática dos lipídeos que, em um ambiente aquoso, tendem a formar micelas, estruturas circulares formadas
naturalmente devido à forma que interagem com a água, expondo a parte hidrofílica e escondendo a parte hidrofóbica da água.
idrofílica
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 7/29
Regiões polares de determinada molécula, que tendem a interagir com a água. “Hidro” deriva de água e “fílica” deriva de amizade.
idrofóbica
Regiões apolares de determinada molécula, que não interagem com a água. “Fóbica” deriva de medo.
Atenção!
Nem todos os lipídeos possuem características anfipáticas, portanto nem todos são capazes de formar estruturas de micelas. Dos lipídeos
anfipáticos, o mais importante na formação da membrana celular é o fosfolipídeo.
Desse modo, esses lipídeos formavam grandes micelas, originando “membranas” celulares rudimentares com moléculas de RNA em seu interior,
surgindo as primeiras células primitivas, com material genético com capacidade replicativa. Hoje, grande parte dos seres vivos ainda possui seu
material genético disperso no citoplasma, o que chamamos esses organismos de procariontes ou procariotos.
É importante ressaltar que, ao longo dos anos, o mundo RNA evoluiu, o DNA, constituído de uma dupla fita, é mais estável que o RNA. Sendo assim,
possui uma maior confiabilidade para armazenar informações de determinado ser vivo e tem as informações responsáveis pela manutenção da
vida. O DNA passa pelo processo de transcrição, que dá origem a um RNA mensageiro (RNAm), este pode ser traduzido e passa a ser uma proteína,
unidade que vai realizar as funções que a célula precisa, como catalisar reações, servir para replicar o DNA, formar estruturas etc.
Possível estrutura das primeiras células da Terra.
Entendendo melhor como a vida pode ter surgido
Confira agora um pouco mais das teorias relacionadas com a origem da vida e reflita sobre as que apresentam maior evidência científica. 
Organização do material genético em procariotos
Os procariotos são os organismos mais antigos da Terra. Todos são unicelulares e não possuem um núcleo organizado, ou seja, o seu material
genético, o DNA, não é separado por uma membrana nuclear, chamada de carioteca, muito parecido com as primeiras células encontradas no nosso
planeta. Esses organismos são os mais simples e toda a sua expressão gênica é diferente da nossa. Nós, seres humanos, pertencemos ao grupo
dos eucariontes, pois temos o material genético separado do citoplasma pela carioteca.
xpressão gênica

02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecularhttps://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 8/29
Processo em que uma informação contida no DNA é transcrita e traduzida para a formação de proteínas. A proteína é a expressão da informação
presente no DNA.
Núcleo disperso nas células procariontes e núcleo compartimentado pela carioteca nas células eucariontes.
Antes de falar da organização do material genético dos procariotos, vamos conhecer alguns conceitos básicos para lembrarmos de certas
nomenclaturas:
O gene
É um segmento codificante do DNA, ou seja, de fato, será transcrito e traduzido.
O cromossomo
É uma estrutura formada por uma molécula de DNA altamente compactada e associada a proteínas auxiliadoras, que ajudam a compactar e
descompactar o DNA para facilitar o acesso de outras proteínas a essa região, por exemplo.
O genoma
É possuidor de toda a informação hereditária, de todo DNA que será passado da célula-mãe para a as células-filhas, incluindo os genes e as
sequências não codificantes.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 9/29
Os procariotos possuem apenas um cromossomo linear ou circular que contém todo o seu material genético, chamado de DNA cromossomal. Além
do cromossomo, alguns deles possuem elementos genéticos móveis (EGM), os responsáveis por transmitir algumas características genéticas a
outros indivíduos vizinhos a fim de conferir alguma vantagem ou desvantagem.
O cromossomo dos procariotos possui uma quantidade de DNA que pode variar entre 0,16 a 13 Mpb. Apenas para termos um exemplo, o DNA da
bactéria E. coli possui cerca de 4,6 Mpb contido em uma célula de 2 μm! Esse volume só é possível devido ao alto grau de condensação do DNA. A
condensação é feita através da formação de grandes alças na molécula de DNA, que originam alças menores, possibilitando que o DNA ocupe um
menor volume na célula. As alças são formadas com o auxílio das proteínas DNA girase e topoisomerase l, a região formada por este único
cromossomo condensado é chamada de nucleoide.
pb
É a sigla para megapares de base, sendo mega 106. Pb: indica pares de bases.
Compactação do DNA procarionte.
Os EGMs são partes fundamentais do DNA dos procariotos, mesmo não pertencendo ao cromossomo e possuem diversas funções que serão
detalhadas posteriormente. É importante saber que existem diferentes tipos de EGMs, vamos estudar os três principais: plasmídeos, bacteriófagos
e os transposons.
Os plasmídeos são moléculas circulares de DNA fita dupla, independentes do cromossomo e possuem capacidade de replicação autônoma. Seu
tamanho é de cerca de 1 a 35 kpb. Cada célula pode conter diversos ou nenhum plasmídeo, com uma ou várias cópias. Os plasmídeos são
considerados elementos de herança extracromossômica, já que possuem replicação autônoma, independentemente do cromossomo. Eles também
não são vitais, não causam malefícios à célula hospedeira, geralmente, possuem informações que serão aproveitadas para produção de toxinas,
pilinas, adesinas e diversos outros tipos de proteínas que podem conferir algum tipo de vantagem para a célula hospedeira. Justamente por isso,
podem ser chamados também de elementos genéticos acessórios.
DNA bacteriano e plasmídeos no citoplasma de uma bactéria.
Os plasmídeos não são normalmente sintetizados, e sim adquiridos através de um fenômeno chamado conjugação bacteriana, onde uma bactéria
transfere os seus plasmídeos para outra e mantém uma cópia desses para si. Os plasmídeos são de grande importância, por exemplo, no
desenvolvimento de estudos na área de Biologia Molecular pela facilidade de manuseio e replicação. São utilizados como vetores, onde uma
sequência de interesse é inserida no plasmídeo, o qual é difundido entre os indivíduos de determinada colônia de bactérias. As bactérias, ao se
replicarem, possibilitam originar uma grande quantidade de cópias da sequência de interesse. A partir disso, podemos purificar esse material e usar
para os mais diversos fins.
Exemplo
Uma das formas de obtenção e produção de insulina é utilizando os plasmídeos como vetores.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 10/29
Os bacteriófagos podem se inserir no DNA cromossomal e se replicar junto com o organismo. Após a inserção, os genes contidos no bacteriófago
são expressos e podem codificar fatores de virulência e toxinas entre outras proteínas. Eles são perigosos porque podem transformar uma bactéria
não patogênica em uma bactéria patogênica. Alguns até mesmo podem produzir capsídeo viral e se multiplicar diversas vezes, iniciando um ciclo
lítico que termina na destruição da célula hospedeira.
acteriófagos
São vírus que infectam bactérias, injetando o seu material genético.
iclo lítico
Processo em que um vírus insere o material genético em uma célula e se multiplica exponencialmente, formando novos vírus e resultando no
rompimento de dentro para fora da membrana celular, liberando grande carga viral.
Bacteriófagos infectando e injetando seu material genético no citoplasma de uma bactéria.
Os transposons são pequenas sequências de DNA que serão inseridas de forma aleatória no DNA do organismo hospedeiro, formando novos
trechos de genoma, evento chamado de transposição e catalisado por enzimas chamadas de transposases. As transposases são capazes de cortar
o DNA na região do transposon, liberando essas sequências, que se difundem pela célula. Os transposons são identificados a partir de mudanças
fenotípicas nas bactérias. Como quase todo o DNA bacteriano é codificante, essas inserções podem causar algumas alterações funcionais no
organismo tprocarioto, como a perda de atividade enzimática.
Existem três principais subgrupos de transposons:
As sequências de inserção (chamadas de IS, do inglês Insertion Sequence).
Os transposons compostos (simbolizados pela sigla Tn).
Transposons complexos ou elementos TnA.
odi�cante
DNA codificante é o termo utilizado para o DNA que de fato será transcrito e traduzido. DNA não codificante é o termo utilizado para todo o DNA que
não será transcrito.
Os ISs são os transposons mais simples, podem se inserir tanto no cromossomo quanto nos plasmídeos, possuem cerca de 700 a 2.500 pb e são
nomeados pela sigla IS, seguido de um número, por exemplo IS3 ou IS37. Eles contêm os genes responsáveis pelo próprio mecanismo de
transposição, que codificam as transposases e possuem sequências muito parecidas em suas extremidades para que a sua respectiva transposase
corte essa região, liberando o IS para ser reinserido em um outro sítio. A transposição acontece no momento de abertura da dupla fita de DNA, que
antecede a replicação, onde o transposon é inserido na fita de DNA e replicado junto com o DNA do procarioto.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 11/29
Estrutura esquemática do ISs.
O segundo subgrupo é formado pelos transposons compostos (Tn), chamados de transposons compostos, porque são formados por duas
sequências de ISs em suas extremidades. Os Tn podem conferir vantagens a bactérias, por exemplo, o caso do Tn9, que gera resistência ao
antibiótico cloranfenicol.
Os transposons complexos (TnA), o último subgrupo, possuem cerca de 500 pb. Ao invés de ISs em suas extremidades, possuem pequenas
sequências indicando o local de corte pela transposase. Os TnA induzem a replicação do procarioto com objetivo de se multiplicarem.
Atenção!
É importante destacar que os EGMs possibilitam que as bactérias troquem informação genética de maneira muito rápida. Desse modo, caso
apareça algum desses elementos, como a capacidade de gerar resistência a um antibiótico, logo todas as bactérias daquela colônia também
ganham essa mesma resistência. Essas características foram fundamentais para a evolução e manutenção da vida dos organismos procariontes.
Organização do material genético em eucariotos
Conformejá aprendemos, a maior diferença entre procariotos e eucariotos é a presença da carioteca, uma membrana nuclear que engloba o
material genético, isolando o citoplasma, no conjunto chamado de núcleo. O núcleo permite um maior nível de organização celular e modifica a
organização e a estrutura gênica.
Para começarmos a entender o nível de complexidade da organização do material genético em eucariotos, vamos a algumas contas básicas.
Todo o genoma humano possui cerca de 3.2 Gpb, enquanto isso a espécie Polychaos dubium, um pequeno parasita unicelular eucarionte, possui 670
Gpb, ou seja, cerca de 200 vezes maior que o nosso.
pb
Giga de pares de base, onde G representa 109.
A complexidade do paradoxo do valor C, nome dado a esse fenômeno, não está associada ao tamanho do seu
material genético, uma vez que nós seres humanos somos mais complexos que este parasita. O paradoxo do valor
C pode ser explicado pela maneira com que o DNA é codificado e processado.
Outro fator relevante é o nível de compactação do DNA. Vamos agora fazer um comparativo entre duas células que já conhecemos os valores de
pares de base existentes: a humana, com 3,2 Gpb, e a E. coli, com 4,6 Mpb.
O DNA humano é contido em um diâmetro de cerca de 5 a 10 μm, enquanto na E. coli esse valor é de 2 μm, ou seja, um DNA 700 vezes maior
ocupando um espaço quase semelhante ao da bactéria. Isso é possível graças a uma diferente forma de estruturação e compactação do DNA.
O genoma dos eucariotos é compactado em cinco níveis diferentes:
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 12/29
O conjunto de cromossomos, ou seja, o DNA e as proteínas acessórias, principalmente, as histonas, formam a cromatina. O cromossomo também
possui em suas extremidades os telômeros, que são estruturas fundamentais para a estabilidade do cromossomo e indicadores da idade celular,
uma vez que um pequeno trecho desse telômero é perdido devido à forma com que o DNA replica.
Etapas da compactação do DNA em eucariotos.
O grau de compactação do DNA eucarionte pode variar de acordo com a fase do ciclo celular que se encontra, pois a cromatina se organiza de
diferentes formas, obedecendo à necessidade de expressão gênica. Quando o DNA está menos condensado (um estado mais aberto), pode ser
exposto a toda a maquinaria de transcrição e/ou replicação existente, e a cromatina se encontra em um estado de eucromatina.
Quando o DNA está bastante condensado, a célula não consegue expressar ou replicar tal região, e ele se encontra no estado de heterocromatina.
Há ainda a heterocromatina constitutiva, formada por trechos que nunca serão transcritos.
Normalmente, chama-se estado de eucromatina/heterocromatina porque não é algo fixo. Logo, o mesmo trecho pode ficar ora em estado de
eucromatina ora em de heterocromatina. Porém, não é errado chamar apenas de eucromatina ou heterocromatina.
No primeiro, todo DNA, que possui 2 nm, é acoplado a proteínas chamadas histonas, essa estrutura é conhecida como nucleossomo.
No segundo o nucleossomo, que possui 11 nm, se compacta formando uma estrutura solenoide de 30 nm. Essas histonas ficam bem
juntas formando uma estrutura ainda mais densa como se fossem fibras.
Nos terceiros e quartos níveis de compactação, são formadas alças dos solenoides (parecidas com as alças dos procariotos), as
quais possuem 300 e 700 nm, respectivamente.
No último grau de compactação, ocorre a formação de uma alça ainda maior, 1.400 nm, que dá origem à estrutura chamada de
cromátide cromossômica. Duas cromátides unidas por uma estrutura chamada de centrômero formam o cromossomo.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 13/29
Transcrição do DNA descompactado.
Os eucariotos possuem também um DNA extracromossomal, presente nas mitocôndrias e nos cloroplastos (nas células vegetais) e completamente
independentes do DNA cromossomal. Existem teorias de que essas organelas eram organismos extracelulares que acabaram sendo inseridos nas
células eucariontes e lá permaneceram, pois o ambiente era favorável. Em troca do ambiente seguro, eles geravam energia para as células
hospedeiras, formando uma relação de simbiose.
imbiose
Associação entre duas ou mais espécies diferentes com vantagens mútuas, onde todas se ajudam.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 14/29
Questão 1
Estudamos as teorias do surgimento da vida e as características estruturais das moléculas que compõem o genoma. Sobre esses assuntos,
leia as afirmativas abaixo e responda:
I. A teoria de Oparin e Haldane era a mais aceita até a descoberta do meteoro de Murchinson, a partir de então a teoria mais aceita foi a da
panspermia.
II. A teoria mais aceita atualmente para a origem da vida na Terra é derivada da teoria de Oparin e Haldane, onde a vida surgiu de forma
espontânea a partir de pequenas moléculas orgânicas.
III. O RNA e o DNA são moléculas capazes de armazenar informação genética, entretanto o DNA é mais estável e se consolidou nesta função.
IV. O mundo RNA dependia de organismos complexos.
Estão corretas as afirmativas:
Parabéns! A alternativa C está correta.
%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%3Cp%20class%3D'c-
paragraph'%3EVamos%20analisar%20caso%20a%20caso.%20Apesar%20de%20surpreendente%2C%20a%20teoria%20da%20panspermia%20(vida%20
RNA%E2%80%9D%20%C3%A9%20uma%20teoria%20que%20surgiu%20com%20a%20possibilidade%20de%20o%20RNA%20autorreplicar.%3C%2Fp%3
Questão 2
Vimos as principais diferenças na organização das células procariontes e eucariontes. Sobre a organização nos eucariotos, como você espera
que esteja organizado o DNA de uma célula pronta para se replicar?
A I e II.
B I e III.
C II e III.
D II, III e IV.
E III e IV.
A DNA completamente enovelado em estado de eucromatina.
B DNA parcialmente desenovelado, em estado de heterocromatina.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 15/29
Parabéns! A alternativa C está correta.
%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%3Cp%20class%3D'c-
paragraph'%3EPara%20a%20maquinaria%20de%20replica%C3%A7%C3%A3o%20ter%20acesso%20ao%20DNA%2C%20ele%20precisa%20estar%20exp
2 - Mecanismos de regulação da expressão gênica
Ao �nal deste módulo, você será capaz de reconhecer alguns dos mecanismos de regulação da expressão gênica nos procariotos
e eucariotos.
Seleção natural
Todos os seres vivos estão em um ambiente sujeito a constantes alterações. Às vezes, podem faltar nutrientes, ou a temperatura fica muito alta.
Existem inúmeras possibilidades e nossos genes precisam responder a essas variações. Se faltar nutriente, o indivíduo que melhor conseguir
economizar recursos, vai sobreviver; já aqueles que continuarem usando normalmente tendem a morrer. Portanto, há uma seleção natural daqueles
que conseguem se adaptar rapidamente ao novo meio em detrimento dos que não têm essa habilidade.
Você sabe que a seleção natural tem a ver com a capacidade dos mecanismos de regulação gênica?
Poupar recursos depende que determinados genes que gastam muita energia fiquem menos ativos, mais condensados. Já genes responsáveis pelo
armazenamento de recursos, como os que expressam as proteínas promotoras da formação do glicogênio, ficam mais ativos, ou seja,
C DNA desenovelado, em estado de eucromatina.
D DNA completamente enovelado em estado de heterocromatina.
E DNA desenovelado em estado de heterocromatina.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 16/29
descompactados, para que a maquinaria de transcrição possa acessá-los. É importante ressaltar que existem ainda os genes que são essenciais
para a manutenção da vida,chamados de genes constitutivos. Não podemos simplesmente economizar energia expressando uma menor
quantidade desses genes, caso contrário, há uma alta possibilidade de isso levar à morte.
Vamos agora entender os ajustes finos e as diferentes estratégias entre procariotos e eucariotos com relação à regulação da expressão gênica,
começando pelos organismos procariontes.
Mecanismos de regulação gênica em procariotos
A regulação da expressão em procariotos pode acontecer em diferentes pontos, com maior custo energético, durante a estabilização da proteína,
que é o produto da fase de tradução, ou durante a transcrição, com menor custo de energia, pois ainda não ocorreu a tradução do RNAm (RNA
mensageiro).
Transcrição
A transcrição ocorre a partir do acoplamento da RNA polimerase em uma sequência de DNA, chamada de região promotora. Todos os genes
(sequências de DNA codificantes) possuem uma região promotora.
Região promotora
Essa região pode inclusive favorecer uma maior ou menor expressão gênica, fazendo um controle negativo ou positivo, dependendo da ligação
de determinadas proteínas conhecidas como fatores transcricionais, que inibem ou ativam a expressão gênica.
Vamos ver um exemplo mais concreto desse conceito de regulação baseado em fatores transcricionais repressores (controle negativo) ou efetores
(controle positivo). Uma regulação negativa pode acontecer de algumas formas. Um fator repressor se liga à região promotora e impede que a RNA
polimerase acople na fita de DNA, inibindo a transcrição. Além disso, um fator repressor pode se ligar a um fator efetor, impedindo a sua atuação e
diminuindo a expressão de determinado gene. O mesmo conceito pode ser aplicado inversamente, um fator efetor se liga à região promotora
aumentando a transcrição ou pode se ligar a um fator repressor e impedir a inibição do gene.
Regulação da expressão gênica negativa (esquerda) e positiva (direta).
Antes de continuarmos, vamos relembrar a jornada que se inicia na molécula de DNA até a formação de uma proteína. Um complexo proteico
chamado RNA polimerase (existem diferentes subtipos de polimerases, para fins didáticos, vamos considerar apenas como RNA polimerase) acopla
na região promotora de um gene e começa a construção de um RNAm. Nos procariotos, a região codificante é chamada de operon e é composta
por mais de um gene, geralmente, com função final relacionada (de uma mesma via metabólica), ou seja, todos os genes de um determinado operon
irão formar proteínas com funções de alguma forma vinculadas umas às outras, como veremos em breve. O RNAm oriundo da transcrição de um
operon é formado por mais de um gene e é chamado de RNAm policistrônico.
De modo diferente, nos eucariotos, todas as regiões promotoras estão associadas a apenas um gene, logo o RNAm final possui informações apenas
deste gene, sendo chamado de RNAm monocistrônico; apesar do RNAm dos eucariotos ser formado por apenas um gene, ele precisa ser
processado para continuar a sua jornada .

02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 17/29
Diferenças no RNAm de eucariontes e procariontes. UTR é uma sigla do termo inglês untranslated region que significa região não codificante.
Após a formação e o processamento do RNAm nos eucariotos, ele precisa sair do núcleo para encontrar o ribossomo. Nos procariotos, por não
possuir carioteca, o RNAm encontra-se no citoplasma, e um RNAt (RNA transportador) é responsável por levar o RNAm contendo as informações do
DNA para o ribossomo, local onde iniciará a tradução. O processo de tradução inicia a partir de um código de leitura presente no RNAm (conhecido
como códon) e segue com a leitura das bases de três em três nucleotídeos até um determinado ponto onde teremos um códon de parada (Stop
códon). Um conjunto de 3 bases de nucleotídeos traduzidas corresponde a 1 aminoácido, e a união dos aminoácidos origina uma cadeia
polipeptídica, que é modelada por proteínas conhecidas como chaperonas, dando origem a uma proteína funcional.
Vamos entender mais a fundo como o ribossomo traduz 3 bases de nucleotídeos em um aminoácido verificando o exemplo a seguir: quando um
ribossomo identifica os nucleotídeos UUA, insere um aminoácido a leucina a cadeia peptídica que está sendo formada. Os códons e seus
respectivos aminoácidos são os mesmo para qualquer organismo, o código genético é universal.
Atenção!
Todos os seres vivos compartilham o mesmo código de códons. Esse é mais um indício da teoria da evolução, segundo a qual todos nós viemos de
um mesmo ancestral comum.
Agora, podemos continuar falando sobre a regulação gênica dos procariotos. Para facilitar a compreensão, vamos ver um exemplo prático: a
regulação do operon Lac da bactéria Escherichia coli.
Esse operon é responsável pelo metabolismo da lactose, um açúcar importante para a nutrição dessas bactérias. O operon Lac é composto de
diferentes trechos, em sequência, temos:
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 18/29
Os promotores são responsáveis por iniciar a transcrição do gene adjacente. Os operadores são regiões regulatórias, onde podem ativar ou reprimir
a transcrição do operon. Nesse caso, o O1 é um sítio em que o repressor Lac se liga e O2 e O3 são operadores secundários. Os operadores sempre
se localizam próximos aos genes que regulam. Temos ainda os três genes estruturais LacZ (gene Z), LacY (Gene Y) e LacA (Gene A), que codificam
as enzimas β-galactosidase, permease e transacetilase e o Gene I, que codifica o inibidor do próprio operon, este possui uma região promotora
exclusiva para ele.
P1, Promotor 1 (promotor do gene I).
Gene I (gene repressor).
O2, Operador 2 (operador secundário).
P2, Promotor 2 (promotor dos genes Z, Y e A).
O1, Operador 1 (operador secundário).
Gene Z.
O3, Operador 3 (operador secundário).
Gene Y.
Gene A.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 19/29
Trechos do Operon Lac da Escherichia coli.
Por ser um recurso muito valioso, as células tentam tornar o consumo de energia o mais eficiente possível.
Na ausência de lactose, não existem motivos para que os genes Z, Y e A sejam expressos, uma vez que são ligados ao metabolismo da lactose, mas
a expressão do gene I é constitutiva, ou seja, ele é sempre expresso mesmo quando não tem presença de lactose intracelular. O gene I dá origem a
uma proteína repressora do promotor 2 (repressor Lac) que se liga à região do O1, inibindo a expressão de Z, Y e A, mesmo que a RNA polimerase
acople em P2 os genes não são expressos.
A lactose não atua diretamente no operon Lac, entretanto, quando algumas moléculas de galactose entram na célula, as poucas enzimas β-
galactosidase conseguem converter a galactose em alolactose; essa se liga ao repressor Lac, favorecendo uma mudança conformacional da
proteína, que leva à desassociação entre o repressor e o operador 1, liberando o funcionamento da RNA polimerase, que transcreve os genes Z, Y e
A.
lolactose
É um isômetro da lactose responsável justamente por induzir a expressão do operon Lac.
Esquema de regulação do operon Lac mediado pela lactose. Pol: RNA polimerase, mRNA lac: RNA mensageiro lactose.
Outra forma de regulação é a dependente de glicose, cuja presença inibe o operon Lac, pois a célula deve priorizar o metabolismo da glicose antes
dos outros carboidratos. Quando os níveis de glicose estão baixos, ocorre a ativação do operon Lac, a indução é feita por uma pequena molécula
efetora, o cAMP (AMP cíclico), e uma proteína regulatória chamada de CRP (sigla para cAMP receptor protein, ou seja, proteína receptora de cAMP,
CRP, também pode ser chamada de CAP, catabolite activator protein).
Vamos entender como esse processo acontece?
Na ausência de glicose, a concentração de cAMP aumenta e essa molécula se liga ao CRP (CAP), formando o complexoCRP-cAMP (ou CAP-
cAMP). O complexo se liga ao DNA em uma região operadora dependente de CAP-cAMP próxima ao operador 3, ativando a transcrição dos genes Z,
Y e A, para a metabolização da lactose. Na presença de glicose, os níveis de cAMP diminuem e não é formado o complexo CAP-cAMP, logo o
operon Lac fica inibido. É importante destacar que, quando os níveis de glicose estão altos, a presença de lactose, não leva à expressão dos genes Z,
Y, A, devido à ausência do indutor CAP-cAMP. Esse fato é justificado pela necessidade do consumo de glicose antes da lactose.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 20/29
Regulação do operon Lac mediado por glicose. cAMP: AMP cíclico; CAP: proteína receptora de cAMP; Pol: RNA Polimerase; ATP: adenosina trifosfato; P: região promotora.
A regulação gênica do metabolismo de lactose para as bactérias E. coli é de grande importância para a sobrevivência. Elas se adaptam ao meio e à
presença de diferentes nutrientes, consumindo-os de modo inteligente. Estudar o operon Lac nos possibilita entender os principais métodos de
regulação gênica em procariotos, pois ele engloba fatores repressores e efetores em diferentes estratégias e meios nutricionais. Agora, podemos ir
adiante e aprender sobre a regulação gênica nos eucariotos.
Operons
Reflita agora sobre operons, sua importância e exemplos.
Mecanismos de regulação gênica em eucariotos
Os organismos eucariontes podem ser multicelulares, com cada célula com funções diferentes e atuando em locais diferentes. Entretanto, todas as
células possuem o mesmo DNA.
Procariotos
Aqui, vamos considerar a estrutura e a organização dos procariotos, seres unicelulares cujo material genético quase todo é codificante, têm os
operons gerando RNAm policistrônico (não existem operons em organismos eucariontes), proteínas interligadas de uma mesma via metabólica
sendo expressas, regulações básicas de ativação ou repressão genética e os promotores. As células procariontes funcionam muito bem ao
pensar que são unidades individuais, buscando a sobrevivência.
Organismos multicelulares
Aqui, de modo diferente, se considerarmos os organismos multicelulares, temos que eles possuem maior nível de complexidade e, ao mesmo
tempo, o percentual de gene codificante e não codificante é muito menor. Nos humanos, cerca de 2% do DNA é codificante. É um pouco
contraintuitivo pensar que um organismo mais complexo, onde todas as células, mesmo com funções variadas, possuam o mesmo DNA, e este
ainda por cima tem proporcionalmente menor porcentagem de genes codificantes.
Vamos a um exemplo?
Ao pensarmos em especialização celular, uma célula do seu intestino precisa absorver e transportar nutrientes com muita eficiência. Já uma célula
da sua pele tem que se multiplicar mais, conferir resistência e acumular queratina. No entanto, ambos os tipos celulares têm os mesmos genes,
praticamente todo o DNA é igual. Mas como isso é possível?


02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 21/29
Resposta
O segredo desse paradoxo é a regulação gênica e o processamento do RNAm. Para podermos transcrever uma fita de DNA, primeiro, temos o
acoplamento da RNA polimerase na fita dupla. Esse DNA precisa estar acessível à maquinaria de transcrição, logo em um estado descompactado.
A compactação e descompactação do DNA em eucariotos são dadas pelas proteínas histonas, sendo um tipo de regulação gênica. As histonas
ditam a compactação da cromatina e são moduladas por pequenas alterações químicas em sua estrutura, sendo elas: metilação (adição de
grupamentos metila favorecem a compactação do DNA pelas histonas, impossibilitando a atuação da maquinaria transcricional) e a acetilação (a
adição de grupamentos acetil favorecem a descompactação do DNA, possibilitando a atuação da maquinaria de transcrição. Esse mecanismo é
catalisado pelas proteínas histona acetil transferase (HAT) e é reversível). Assim, uma das maneiras de regular o que vai ser expresso é dependente
do padrão de acetilação/metilação de histonas.
Acetilação de histonas mediada por histona acetil transferase (HAT).
Voltando ao exemplo dado anteriormente, as células do seu intestino certamente possuem trechos do DNA menos compactados do que as células
da sua pele. Esses trechos expressarão proteínas responsáveis pela absorção dos nutrientes. Nas células da pele, os mesmos trechos estarão com
as suas respectivas histonas metiladas, ou seja, mais compactadas.
Determinados fatores transcricionais podem promover a acetilação e a metilação das histonas de maneira direcionada, gerando especializações
celulares. Em resumo, o padrão de histonas do seu DNA é um dos fatores que faz com que diferentes células tenham funções diferentes.
Outro mecanismo de inibição da expressão gênica é dado pela metilação do próprio DNA, mais especificamente na posição 5 do anel de citosina,
que dificulta a interação com a RNA polimerase, impedindo a transcrição.
Citosina metilada na posição 5 do anel pirimidina. A metilação é a adição de um grupo metil (CH3) de forma covalente. Enzima responsável DNA metiltransferase (DNMT).
As citosinas metiladas formam as chamadas ilhas CpG ou ilhas CG (ilhas citosina- guanina); essa metilação não é reparada pela maquinaria de
reparo celular, não sendo transcrita e traduzida, constituindo assim partes não codificantes. No entanto, essa metilação pode ser passada para as
células filhas no processo de replicação durante a multiplicação celular, garantido a sua hereditariedade. Elas se localizam, principalmente, próximas
do sítio de início da transcrição de genes constitutivos.
Nos eucariotos, ainda levando em consideração a regulação da transcrição, existem ainda as sequências reguladoras, bastante semelhante aos
operadores dos procariotos. No entanto, nos eucariotos, essas sequências podem estar localizadas a milhares de pares de bases de distância do
promotor.
Até agora vimos alguns fatores de regulação associados à transcrição do DNA, mas a expressão gênica dos eucariotos pode ser regulada em
diversos outros pontos, como:
aquinaria de reparo
A maquinaria de reparo é fundamental para a manutenção do DNA. É capaz de consertar pares de bases que foram colocados em lugares errados,
reparar danos causados à fita, reajustar ligações erradas etc. Ela serve para minimizar as mutações, impedindo erros na replicação.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 22/29
Como sabemos, os eucariotos são organismos bastante complexos, existem milhares de diferentes interações. A cada dia, os cientistas descobrem
novos conceitos e novas formas de regulação gênica. Por isso, vamos focar em algumas das regulações mais relevantes, como o splicing
alternativo e a maturação do RNAm, a nível de processamento pós-transcricional, e nos recém-descobertos miRNA (microRNA) e siRNA (small
interference RNA), para degradação do RNAm.
Agora, já sabemos por que todas as células, mesmo possuindo o mesmo DNA, têm especializações diferentes.
Entretanto, falta ainda entender a proporção de DNA codificante e não codificante.
Temos apenas 2% de DNA codificante, será que é suficiente para dar conta de toda complexidade de um organismo multicelular? A resposta é sim.
Afinal, estamos vivos, não é?
A chave para entender esse dilema está no splicing alternativo. Cada célula possui um padrão de splicing (conjunto de informação de como vai
realizar esse processo) de acordo com suas funções, originando assim proteínas diferentes a partir do mesmo gene. Após a transcrição do gene, é
formado um pré-RNAm, o qual é processado por um complexo de RNA e proteínas chamado de spliceossomo, onde, dependendo do padrão de
splicing celular no momento da transcrição, alguns trechos do pré-RNAm são considerados éxons e outros são considerados íntrons. Os trechos
íntrons sãoremovidos do pré-RNAm e os trechos éxons são ligados pelo spliceossomo, gerando um pré-RNAm formado apenas com éxons, de
acordo com o padrão de splicing.
plicing alternativo
O termo inglês splicing significa emendar, e “alternativo” se refere ao fato de serem íntrons e éxons , logo, são emendados de forma alternada.
xons
Trechos do pré-RNAm que serão aproveitados para o RNAm maduro.
ntrons
No processamento pós-transcricional.
Na degradação do RNAm.
Na tradução.
No processamento pós-traducional.
Na degradação e no transporte da proteína gerada.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 23/29
Trechos do pré-RNAm que serão removidos do RNAm maduro.
Diferentes isoformas do RNAm.
Um mesmo gene pode dar origem a uma enorme quantidade de diferentes RNAm e, por consequência, proteínas diferentes. Desse modo, os
eucariotos conseguem com uma quantidade relativamente baixa de genes codificantes gerar um número muito elevado de diferentes proteínas.
Junto ao splicing alternativo, o pré-RNAm também precisa passar por um processamento, que o torna capaz de sair do núcleo para chegar ao
ribossomo onde será traduzido. O pré-RNAm passa por duas etapas, uma adição do cap 5’, ou seja, pela ligação de um nucleotídeo alterado, e o
GMP metilado (Guanosina monofosfato metilada), na ponta 5’ do RNAm, por uma ligação trifosfato. O cap 5’ é fundamental para o reconhecimento
do RNAm maduro, a exportação do RNAm para fora do núcleo e o endereçamento do RNAm em direção ao ribossomo. Ele promove a ligação na
organela, além de também ter ação protetora.
Saiba mais
A palavra cap significa boné e, nesse caso, pode ser traduzida para capacete 5’. Por isso, o nome cap 5’ ou capacete 5’, uma vez que esse
nucleotídeo alterado, protege a perda de informação contida no RNAm oriunda da degradação pela ação de ribonucleases e fosfatases.
A segunda etapa do processamento do RNAm é uma adição de uma cauda chamada de “poliA” na extremidade 3’ do RNA. A cauda tem esse nome
por ser formada de 80 a 250 resíduos de adenina. A cauda também serve para proteger o RNAm de degradação enzimática durante todo o processo
de locomoção em direção ao ribossomo, a cauda poliA é clivada por endonucleases quando o RNAm encontra o ribossomo.
Uma vez com a adição do cap 5’ e da cauda poliA, o RNAm se torna maduro e pode ser traduzido pelo ribossoma no citoplasma. A regulação desse
processo se dá pela remoção de uma dessas adições. Caso a célula não precise mais de determinada proteína, sinalizações regulatórias são
enviadas para o núcleo, onde são removidas e o RNAm agora “não maduro” é degradado.
Processamento do RNAm. Pré-RNAm recebe cap5' e cauda poliA, em seguida tem seus íntrons removidos, originando RNAm maduro.
A última regulação genética que iremos estudar é a mediada por pequenos RNAs: os miRNAs e os siRNA.
Os miRNAs apresentam cerca de 19 a 28 pb (pares de base), são endógenos e formados a partir do pareamento imperfeito de uma fita dupla de
RNA (double stranded RNA, conhecido como dsRNA). Esse pareamento gera uma estrutura em forma de grampo de cabelo, conhecida como hairpin,
que é clivada por uma endonuclease dicer (endonucleases são proteínas que cortam a fita de RNA ou DNA de forma precisa) formando os miRNAs.
Os siRNAs, com cerca de 22 a 23 pb, são exógenos (oriundos do RNA viral) ou endógenos (oriundos de retrotransposons) e formados a partir de um
pareamento perfeito de uma dsRNA. Também são clivados pela endonuclease dicer, gerando esses fragmentos de siRNA. A regulação é dada pela
ligação entre o miRNA ou siRNA no RNAm induzindo a degradação deste ou impedindo sua tradução.
etrotransposons
Componentes genéticos com capacidade de autorreplicação, convertendo RNA em DNA. Estão presentes em eucariotos, porém, sua possível origem é
viral. Os retrotransposons ao longo da evolução se estabeleceram no genoma eucarionte.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 24/29
Mecanismo de ação do miRNA e siRNA.
Os siRNA e miRNA foram recentemente descobertos e possuem um papel muito importante no controle da expressão gênica em eucariotos. No
entanto, ainda estamos tentando entender melhor como funcionam, embora suas aplicações médicas pareçam ser muito promissoras. Imagine, por
exemplo, uma pessoa que tenha o metabolismo alterado para produzir grandes quantidades de colesterol endógeno. Ela pode ter diversos
problemas de saúde oriundos do alto colesterol. No futuro, talvez seja possível construir siRNAs específicos para silenciar a expressão de HMG-CoA
redutase, principal enzima da síntese de colesterol endógeno, abrindo possibilidades para uma nova terapia genética.
Epigenética
A genética é o estudo dos genes, das características hereditárias de determinados organismos, guardadas nas moléculas de DNA. A epigenética é o
estudo das características que vão acima dos genes, pois “epi” deriva do radical grego que indica a posição superior. Essa ciência estuda as
variações nos traços fenotípicos pela ação de fatores externos ou ambientais que afetam a expressão gênica de modo reversível. A compreensão
da epigenética pode nos ajudar a estabelecer relações entre a forma com que vivemos e o surgimento de determinadas doenças.
Relembrando o que estudamos anteriormente, como um neurônio sabe que tem que ser um neurônio e não um osteoblasto
durante o desenvolvimento embrionário?
A resposta está nos fatores de transcrição específicos de cada linhagem celular que leva a especialização destas células para a sua forma final e
nas marcas epigenéticas no DNA. As marcas epigenéticas são características do material genético que possibilitam ou não sua expressão, seja por
metilação do DNA, modificação de histonas (metilação ou acetilação) ou presença de mi e siRNA, que degradam o RNAm.
A epigenética é tudo que está acima dos genes e estuda alterações na expressão gênica que não alteram a estrutura primária da sequência de
nucleotídeos. Na verdade, explora modificações no DNA decorrentes da interação do indivíduo com o ambiente.
Exemplo
Um indivíduo fumante consome grandes quantidades de nicotina, cuja molécula modifica o padrão metilação em diversos genes. Então, os genes
que, em condições normais, não estariam sendo expressos passam a ser. E quais são as consequências dessa alteração na expressão gênica?
É difícil precisar todas as alterações causadas por determinada substância no nosso organismo, temos milhares de diferentes células expressando
diferentes proteínas. Entretanto, a comunidade científica estuda incansavelmente as diversas modificações genéticas causadas por alimentos,
comportamentos, drogas etc.
Agora, ainda utilizando o caso da nicotina como exemplo, é sabido que o cigarro faz mal à saúde e, segundo estudos, podem reduzir em cerca de 14
anos a expectativa de vida de adultos fumantes. Apenas nos Estados Unidos, o cigarro tem algum tipo de relação com a morte de 400 mil pessoas
por ano. As consequências de fumar incluem câncer, doenças cardiovasculares e respiratórias. Muitas grávidas continuam fumando durante a
gestação, sendo a causa de morte infantil evitável mais importante. O cigarro consumido pelas mães atrasa o desenvolvimento neural e
cardiopulmonar do embrião. Essas crianças também tendem a ter uma maior frequência de doenças respiratórias como asma. No entanto, estudos
recentes mostram que mães fumantes podem não só ter os filhos com asma, como também os netos, mesmo que as filhas não fumem. Além disso,
foram encontrados alguns mecanismos epigenéticos nos filhos e netos de fumantes.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 25/29
Os conceitos sobre hereditariedade genética evoluíram com o passar dos anos, não apenas os genes são responsáveis por transmitir as
informações dos pais para os filhos, mas também os padrões epigenéticos são fundamentais,os quais podem ser passados através de gerações.
Marcações no DNA e nas histonas (acetilações e metilações) modificam o padrão de expressão genética, principalmente, no período de
desenvolvimento embrionário, causando uma reprogramação gênica.
As modificações epigenéticas ocorrem não apenas pela exposição recorrente a determinadas substâncias químicas, mas também devido a fatores
ambientais e comportamentais. O holocausto durante a Segunda Guerra Mundial deixou marcas visíveis e invisíveis tanto nos que sofreram o horror
nazista quanto em seus filhos e netos. As marcas invisíveis foram reveladas nos cromossomos, que representam um tipo de memória biológica do
nosso organismo. Os sobreviventes do holocausto tinham pesadelos frequentes, ansiedade, depressão, dificuldade de ressocialização, entre outros
distúrbios psicológicos. De alguma maneira, esses traumas se internalizaram e foram passados adiante, pois os descendentes da guerra tendem a
ser mais vulneráveis ao stress e propensos a desordens mentais, evento conhecido como transmissão transgeracional de trauma (TTT). A TTT
também já foi descrita na literatura a partir de indivíduos que sofreram abusos, refugiados, vítimas de tortura etc.
A compreensão da TTT trouxe avanços na vida de diversas crianças e adultos que passaram por eventos traumáticos, permitindo o diagnóstico e
tratamento precoce das consequências do trauma, uma espécie de medicina epigenética. É importante lembrarmos que os mecanismos
epigenéticos são maleáveis e podem ser alterados durante a nossa vida, dependendo de fatores químicos e socioambientais, que nos leva a boas
perspectivas de tratamento.
Diversas outras associações epigenéticas têm sido testadas. Compreender os ajustes finos desses mecanismos pode gerar uma revolução na
maneira com que enxergamos a medicina e a genética.
A terapia genética, com o uso de miRNA, siRNA e edição genética parece muito promissora, mas ainda são estudos preliminares e temos muitos
mistérios a desvendar.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 26/29
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
Estudamos as regulações gênicas nos procariotos e vimos que existem operons, que são trechos responsáveis por alguma função biológica.
Leia as afirmativas abaixo e responda.
I. Considerando o operon Lac, a expressão do gene I é constitutiva, uma vez que não temos lactose sempre no meio intracelular.
II. Em procariotos, os genes com funções de uma mesma via metabólica estão localizados próximos uns aos outros em um operon e
transcrevem para um RNAm monocistrônico.
III. O RNAm monocistrônico é capaz de ser traduzido em diferentes proteínas de uma mesma via metabólica.
IV. O operon Lac tem seu funcionamento reprimido na presença de glicose, mesmo que com altas concentrações de lactose.
Estão corretas as afirmativas:
A I, II e III.
B II e III.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 27/29
Parabéns! A alternativa D está correta.
%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%3Cp%20class%3D'c-
paragraph'%3EO%20%3Cem%3Eoperon%20Lac%3C%2Fem%3E%20%C3%A9%20respons%C3%A1vel%20por%20expressar%20as%20prote%C3%ADnas
cAMP%2C%20logo%2C%20n%C3%A3o%20ocorre%20a%20transcri%C3%A7%C3%A3o%20do%20operon%20Lac%2C%20mesmo%20quando%20temos
Questão 2
A epigenética estuda como componentes externos e ambientais modificam nosso genoma através de determinadas marcações. São exemplos
de marcadores epigenéticos que podem modificar a expressão de genes:
I. Metilação do DNA, metilação de histonas e presença de miRNAs.
II. Acetilação do DNA, splicing alternativo e presença de miRNAs.
III. Ubiquitinação de proteínas, metilação de histonas e nicotina.
IV. Metilação do DNA, stress e presença de miRNAS.
Estão corretas as sentenças:
Parabéns! A alternativa B está correta.
C II, III e IV.
D I e IV.
E Apenas IV.
A I e II.
B I.
C III e IV.
D II.
E II, III e IV.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 28/29
%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%3Cp%20class%3D'c-
paragraph'%3EMetila%C3%A7%C3%A3o%20da%20citocina%2C%20presente%20no%20DNA%2C%20na%20posi%C3%A7%C3%A3o%205%E2%80%99%
Considerações �nais
Conhecemos como a Biologia Molecular foi estabelecida como ciência a partir da descoberta do DNA e do RNA, explorando principalmente a sua
estrutura e a sua função. Além disso, vimos a teoria mais aceita, atualmente, para explicar como a vida surgiu no nosso planeta. Aprendemos como
o material genético nos eucariotos e procariotos e como esses grupos se organizam e os diferentes mecanismos de regulação da expressão
gênica. Por fim, todos os conceitos aprendidos sobre os eucariotos foram concatenados para termos uma noção sobre o que é a epigenética. A
epigenética é uma ciência recente que estuda o comportamento de todos os componentes que estão presentes influenciando no genoma e, por
consequência, influenciando na expressão gênica.
Podcast
Ouça agora as diferenças clássicas entre os sistemas respiratórios das espécies pela realidade aumentada.

Referências
AL MUFTAH, W. A. et al. Epigenetic associations of type 2 diabetes and BMI in an Arab population. Clinical epigenetics, v. 8, n. 1, p. 13, 2016.
ALBERTS, B. Molecular biology of the cell. 2018.
BETZ, F. Managing Science: Innovation, Technology, and Knowledge Management. 2011.
BORGES-OSÓRIO, M. R.; ROBINSON, W. M. Genética Humana. 3. ed. Artmed, 2013.
COSTA, E. de B. O.; PACHECO, C. Epigenética: regulação da expressão gênica em nível transcricional e suas implicações. Ciências Biológicas e da
Saúde, v. 34, n. 2, p. 125-136, 2013.
DUBEY, R. C. D. K. ATB of microbiology. New Delhi: S. Chand & Company, 2015.
HICKMAN, A. B.; DYDA, F. Mechanisms of DNA transposition. Mobile DNA III, p. 529-553, 2015.
KELLERMANN, N. PF. Epigenetic transmission of holocaust trauma: can nightmares be inherited. Isr J Psychiatry Relate Sci, v. 50, n. 1, p. 33-39,
2013.
LANE, N. The vital question: energy, evolution, and the origins of complex life. WW Norton & Company, 2015.
02/03/2023, 20:48 Introdução à Biologia Molecular
https://stecine.azureedge.net/repositorio/00212sa/00750/index.html# 29/29
LEHMAN, N. Cold-hearted RNA heats up life. Nature chemistry, v. 5, n. 12, p. 987-989, 2013.
LESLIE, F. M. Multigenerational epigenetic effects of nicotine on lung function. BMC medicine, v. 11, n. 1, p. 1-4, 2013.
MELAS, P. A. et al. Genetic and epigenetic associations of MAOA and NR3C1 with depression and childhood adversities. International Journal of
Neuropsychopharmacology, v. 16, n. 7, p. 1513-1528, 2013.
NELSON, D. L.; LEHNINGER, A. L.; COX, M. M. Lehninger principles of biochemistry. Macmillan, 2008.
VÁZQUEZ-SALAZAR, A.; LAZCANO, A. Early life: Embracing the RNA world. Current Biology, v. 28, n. 5, p. R220-R222, 2018.
WATSON, J. D.; CRICK, F. H. C. Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature, v. 171, n. 4356, p. 737-738,
1953.
Explore +
Para explorar mais os seus conhecimentos a respeito do assunto, recomendamos as seguintes leituras:
Cientistas encontram possível sinal de vida em Vênus, matéria de divulgação científica da revista Exame, escrita pela jornalista Tamires Vitorino.
Nessa matéria, é abordada a descoberta do gás fosfina metabólito bacteriano em Vênus, indicando possível sinal de vida.
Michael Russell demonstrou que existem fontes de águas termais no fundo dos oceanos, aquecidas pelo manto da Terra, que jorram água
alcalina. Essas fontes são ricas em minérios de ferro, níquel e enxofre dissolvidos. Para conhecer mais, leia o livro Questão vital: Por que a vida é
como é?, de Nick Lane e Talita Rodrigues.
Para conhecer um pouco mais sobre os avanços da epigenética na área biomédica, leia o livro Epigenética aplicada à saúde e adoença de Elsner
e Siqueira.
Para conhecer um pouco mais sobre a história da Biologia Molecular, visite a matéria do Rogerio Meneghini Os genes e o gene, publicada na
revista FAPESP.
Qual foi papel de Roselind Franklin no modelo da dupla hélice do DNA de Watson e Crick? Para saber mais, visite o artigo As controvérsias a
respeito da participação de Rosalind Franklin na construção do modelo da dupla hélice, de Marcos Rodrigues da Silva.