B - Conceitos iniciais da biologia molecular

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Conceitos iniciais da biologia molecular
Prof. Eldio G. Santos
Descrição
A construção histórica da biologia molecular e seu emprego no estudo das biomacromoléculas, como o
DNA, o RNA e as proteínas, que estão presentes nas células e são responsáveis pela manutenção da vida.
Propósito
A compreensão da descoberta do RNA e do DNA, a importância dessas moléculas para as células
procariontes e eucariontes e o fluxo de informação dado pelo dogma central da Biologia.
Objetivos
Módulo 1
Histórico da biologia molecular e organização gênica
Descrever a história da biologia molecular, a origem da vida e a organização gênica nos organismos.
Módulo 2
O DNA e o dogma central da Biologia
Descrever as funções do DNA e o dogma central da Biologia.
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 as moléculas possivelmente mais importantes
para a existência da vida na Terra. Estamos falando dos 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.
Faremos 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 desse material em diferentes seres vivos. Aprenderemos ainda
como o armazenamento e o fluxo de informação genética nos seres vivos ocorrem.
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1 - Histórico da biologia molecular e organização gênica
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
Componentes do núcleo celular
Nosso histórico começa em 1869 com um bioquímico suíço chamado Johannes Friedrich Miescher. Em
seus estudos, ele buscava determinar quais componentes químicos existiam dentro dos glóbulos brancos
(leucócitos) presentes no pus de feridas.
Friedrich Miescher.
De modo geral, tais glóbulos possuem um núcleo grande e bem definido. No interior desse núcleo, Miescher
observou uma grande quantidade de um composto ácido com átomos de nitrogênio e fósforo, nomeando-o
de nucleína por estar localizado no núcleo. Mal ele sabia da importância dessa descoberta!
Diversos outros cientistas continuaram investigando o tal composto – entre eles, Albrecht Kossel, que, em
1880, demonstrou que nela havia diferentes bases nitrogenadas. Richard Altmann, nove anos depois,
conseguiu purificar a nucleína e chamou o purificado de ácido nucleico.
Com o tempo, os ácidos nucleicos era cada vez mais estudados. Eles pareciam muito importantes, já que
praticamente todas as células possuíam esse material. Foram descobertas quatro diferentes bases
nitrogenadas:
Bases púricas
Adenina (A) e guanina (G).
Bases pirimídicas
Citosina (C) e timina (T).
Todas elas estão associadas com uma pentose (basicamente, um carboidrato monossacarídeo formado
por cinco átomos de carbono) do tipo ribose ou desoxirribose (a desoxirribose perde a hidroxila do carbono
2) e um grupamento fosfato.
Nucleotídeo contendo a base nitrogenada, o fosfato e a pentose.
Essas bases estão ligadas entre si, sempre obedecendo a um padrão, em que a adenina se associa à timina
por duas ligações de hidrogênio e a guanina se associa à citosina por três ligações, sendo a segunda
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, em 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 com desoxirribose foram denominadas ácido desoxirribonucleico (ADN). Seu nome, em
inglês, é deoxyribonucleic acid: trata-se do famoso DNA.
As moléculas com ribose como pentose foram nomeadas ácido ribonucleico (ARN), o qual, em inglês, é
chamado de ribonucleic acid, conhecido como RNA.
Todas as bases nitrogenadas.
Vamos agora juntar todos os conceitos estabelecidos para entender 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.
Entre as purinas, há a adenina e a guanina; entre as pirimidinas, a citosina e a timina, no caso de uma
molécula de DNA, e o uracil(a), em uma molécula de RNA.
Além das ligações de hidrogênio realizadas entre as bases nitrogenadas, também se observou outro tipo de
ligação que ocorria numa outra porção do nucleotídeo. Uma ligação vertical entre as bases, formando uma
longa cadeia chamada de fita, é realizada entre a molécula de açúcar (pentose) de uma ribose para o RNA
ou de uma desoxirribose para o DNA e o grupamento fosfato da base adjacente, realizando uma reação
conhecida como ligação fosfodiéster.
Ligação fosfodiéster entre nucleotídeos da mesma fita de DNA.
O DNA é formado por diversos nucleotídeos, que possuem uma sequência (A, T, C, G) específica. Mais à
frente, veremos como essa sequência funciona e para que serve.
Saiba mais
A estrutura do DNA se encontra em uma fita dupla. A união entre as duas fitas se dá por ligações de
hidrogênio entre as bases nitrogenadas. O RNA pode estar em fita simples ou dupla a depender da sua
função.
Entretanto, considerando que os seres eucariotos, na maior parte do tempo, estão em fita simples, não
possuindo interações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas, o RNA, por conta disso, é
consideravelmente mais suscetível à degradação mecânica ou por calor que o DNA. Ele é muito mais frágil
e tende a ter funções diferentes do DNA, como veremos em outro momento.
Teorias sobre a estrutura do DNA
Vamos voltar para a história. Em 1953, uma dupla de cientistas, James Watson e Francis Crick, publica um
artigo na revista Nature denominado Molecular structure of nucleic acids que apresenta uma nova proposta
de estrutura do DNA. Eles eram contrários às ideias existentes na época a respeito da estrutura.
Entre os modelos antigos, o que mais se destacou foi o de Linus Pauling. Ele acreditava que o DNA era
interligado pelos grupamentos fosfatos, formando uma coluna.
Já Watson e Crick, baseados em uma foto tirada por Rosalind Franklin, propuseram uma nova estrutura para
essa molécula. A estrutura era uma dupla hélice cujas bases nitrogenadas purinas se ligavam às pirimidinas
no centro da hélice espiralada, sendo muito parecida com a que usamos até hoje.
inus Pauling
Esta é a foto tirada utilizando difração de raio-X, técnica na qual um feixe de raios atravessa uma molécula
cristalizada e mancha um filme atrás, revelando, assim, uma imagem em que esses raios X foram difratados. É
semelhante ao nosso raio-X atuais de ossos, só que com pequenas moléculas.
Raio-X, responsável pelas conclusões de Watson e Crick.
A estrutura tridimensional montada por Watson e Crick.
Com a estrutura do DNA resolvida e o conhecimento sobre a química dessas biomacromoléculas, faltava
agora entender a atuação e a organização delas nas células e por que eram tão importantes para justificar
sua presença no núcleo de basicamente todas as células.
Ao longo dos anos, o conhecimento sobre o DNA e o RNA vem crescendo.
Hoje em dia, 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. Começamos a ter
mais segurança e menor custo na edição genética.
No futuro, possivelmente poderemos curar doenças que sequer se manifestaram. Atualmente, inúmeras
técnicas utilizando o DNA são amplamente usadas no dia a dia. Eis alguns exemplos:
Quantificar o material genético que expressamos para diagnosticar doenças, como a Covid-19.
Realizarperícias criminais.
Fazer testes de ancestralidade.
Modificar outros organismos para que produzem nossas proteínas.
Existem, portanto, inúmeras possibilidades decorrentes do desenvolvimento da biologia molecular.
A origem da vida
A origem da vida sempre despertou curiosidade. Ao longo dos anos, houve diversas teorias. Enquanto
algumas se provaram erradas, outras se mantêm até hoje.
Você imagina como a vida começou? Vamos conhecer um pouco essas teorias?
Teoria de Oparin e Haldane
Sabemos que os átomos podem fazer ligações de maneira espontânea desde que estejam em um ambiente
favorável e tenham afinidade um pelo outro, ou seja, após se ligarem, encontram uma estabilidade maior do
que a existente quando estavam separados. Assim são construídas as moléculas.
Saiba mais
Das teorias existentes, uma delas, a de Oparin e Haldane, defendia 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, desde que o ambiente fosse favorável, era possível existir a
criação espontânea de moléculas orgânicas na Terra. Ele fez um experimento no qual simulava a provável
atmosfera primitiva do planeta há cerca de 4 bilhões de anos.
No seu experimento, havia moléculas, como gás hidrogênio, metano e vapor de água, bastante comuns no
ambiente primitivo. Na presença de uma descarga elétrica, como um raio, esses gases se ligavam entre si,
formando diversas moléculas orgânicas – entre 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 eram realizados,
como os do geólogo Michael Russell. O pesquisador demonstrou a existência de fontes de águas termais
no fundo dos oceanos, as quais, aquecidas pelo manto da Terra, jorram água alcalina.
Fonte termal vulcânica, a possível origem da vida.
Essas fontes são ricas em minérios de ferro, níquel e enxofre dissolvidos. A reação de tais 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 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. Tal aceptor pode ser o monóxido ou o dióxido de carbono, que será reduzido, gerando a
energia necessária para a confecção das moléculas orgânicas.
Saiba mais
Você já ouviu falar de um mecanismo parecido com esse anteriormente? Em que um elétron percorre uma
cadeia até chegar ao seu aceptor, gerando energia? É de maneira muito semelhante a essa que diversos
seres vivos, como nós, produzem energia!
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, vale mencionar que ainda
existem diversas perguntas para serem respondidas. Nos dias atuais, essa é a teoria com mais aceitação
para a origem da vida.
Teoria da panspermia
Outra teoria que vem ganhando notoriedade é a panspermia, segundo a qual a vida não necessariamente
surgiu na Terra. Ela, na verdade, veio do espaço e chegou aqui através de corpos celestes.
Fragmento de meteorito.
Um fato que deu base para a teoria da panspermia foi a observação de compostos orgânicos presentes em
meteoritos.
Em 1997, com a análise do meteorito de Muchinson, os pesquisadores encontraram diversos aminoácidos
responsáveis por formar proteínas e outros compostos orgânicos presentes que datavam de
aproximadamente 7 bilhões de anos. Desse modo, eles eram mais antigos que nosso próprio planeta, que
possui cerca de 4,5 bilhões de anos.
Nessas rochas extraterrestres incrivelmente antigas, cientistas encontraram minerais, traços de
aminoácidos e outros compostos orgânicos. A forma com que tais materiais foram criados, como frisamos,
os torna mais antigos que o próprio planeta. É possível que os condritos carbonáceos sejam a fonte de
compostos orgânicos responsável por dar origem à vida na Terra.
Saiba mais
Em abril de 2022, uma descoberta movimentou a comunidade científica. Em um meteorito, foram
encontradas duas bases nitrogenadas, a citosina e a timina, que estão presentes no DNA, vindas do espaço!
Apesar de endossar a teoria da panspermia, essa descoberta não define como surgiu a vida na Terra.
Mesmo assim, ela nos abre para mais questionamentos e guiará futuras pesquisas.
A panspermia não possui evidências científicas suficientes para explicar a origem da vida no nosso planeta
– diferentemente da teoria de Oparin e Haldane, que atualmente é a mais aceita. Entretanto, é muito
interessante imaginar que, em outros lugares do universo, existam compostos orgânicos e – quem sabe? –
até mesmo vida. Essas amostras extraterrestres também evidenciam que é possível criar matéria orgânica,
incluindo as bases presentes no DNA e no RNA.
“Mundo RNA”
A teoria de Oparin e Haldane diz que, em um mundo no qual existiam alguns nucleotídeos, aminoácidos e
hidrocarbonetos, essas moléculas começariam a interagir entre si, formando cadeias cada vez mais
complexas. Dessa forma, as ligações entre diferentes nucleotídeos formaram os primeiros RNAs; as
ligações entre diferentes aminoácidos, os oligopeptídeos.
A interação entre os oligopeptídeos e o RNA leva a benefícios mútuos. Ela gera, por exemplo, estabilidade
na estrutura de ambos, originando uma maior quantidade de determinadas estruturas.
Imagine agora essas diversas interações por muitos milhares de anos. É natural
que, com o tempo, estruturas mais complexas se formem e se mantenham.
Já sabemos que tanto o RNA quanto os 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 fazer essa autorreplicação. Desse modo, a evolução poderia acontecer ainda mais rápido, dando origem
ao chamado “mundo RNA”.
Recipiente com água e óleo.
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 eles não se misturam, certo? Isso se dá a partir da
característica anfipática de determinados lipídeos, que, em um ambiente aquoso, tendem a formar micelas,
estruturas circulares formadas naturalmente devido à forma com que interagem com a água, expondo a
parte hidrofílica (polar) e escondendo a hidrofóbica (apolar) da água.
Com isso, esses lipídeos formavam grandes micelas, originando “membranas” celulares rudimentares com
moléculas de RNA em seu interior. Surgiam, assim, as primeiras células primitivas com material genético
com capacidade replicativa.
Hoje em dia, grande parte dos seres vivos ainda possui seu material genético disperso no citoplasma. Esses
organismos são chamados de procariontes ou procariotos.
Como poderiam ser as primeiras células vivas da Terra.
Ao longo de milhares de anos, o mundo RNA foi evoluindo. Não se sabe exatamente como essa evolução
ocorreu, mas a constante estabilidade adquirida pelas moléculas presentes naquela “sopa primordial” do
mundo RNA deu origem a uma fita dupla contendo timina em vez de uracila.
A timina possui um grupamento metil no carbono 5, inexistente na uracila. Assim foram formadas as
primeiras moléculas de DNA. Consideravelmente mais estável que o RNA, o DNA é formado por umasérie
de nucleotídeos, os quais, em determinada sequência, armazenam uma informação.
Dessa maneira, o DNA possui uma maior confiabilidade para armazenamento de dados e tem as
informações responsáveis pela manutenção da vida. Ele passa por uma série de processos nos quais
haverá o fluxo desses dados armazenados até que eles sejam expressos em forma de proteínas funcionais.
Esse fluxo de informações tem o seguinte nome: dogma central da biologia molecular.
A transcrição dá origem a um RNA mensageiro (RNAm) a partir do DNA. O RNAm é traduzido em uma
proteína, a unidade que vai realizar as funções de que a célula precisa.
Exemplo
Catalisar reações, formar estruturas e participar de vias metabólicas.
O DNA também possui uma maquinaria para realizar cópias da fita original em um processo chamado de
replicação. Em breve, veremos com mais detalhes todos esses processos do dogma central da biologia
molecular.
Organização do material genético
Estrutura e organização do DNA e do RNA
Nós já sabemos que o DNA e o RNA são formados por uma base nitrogenada, um grupamento fosfato e
uma pentose. Mas como funciona de fato a estrutura do DNA e do RNA nos seres vivos? O que as diferentes
bases nitrogenadas representam? Neste tópico, responderemos a algumas dessas perguntas.
O DNA tem como função principal armazenar informação. Conforme a sequência de bases nitrogenadas, a
informação passada adiante vai servir para determinado propósito. A porção do DNA que a transmite é
chamada de gene, um segmento codificante do DNA, isto é, um trecho que será lido e transcrito e formará
uma proteína com uma atividade de acordo com a sequência do DNA.
Saiba mais
O DNA não é apenas formado por genes. Na verdade, a maior parte dele é não codificante (DNA não
transcrito). Essas regiões têm sua importância no controle da expressão gênica e auxiliam em
determinados processos, como a replicação e a formação dos cromossomos.
O cromossomo é uma estrutura composta por uma molécula de DNA altamente compactada e associada a
proteínas auxiliadoras que ajudam a compactar e descompactar o DNA para facilitar ou dificultar o acesso
de outras proteínas a trechos do DNA. Todo o conjunto de genes e regiões não codificantes recebe o nome
de genoma, que contém toda a informação hereditária que será passada da célula-mãe para as células-
filhas.
À exceção de alguns vírus, todos os seres vivos utilizam a molécula de DNA para armazenar e transferir
suas características hereditárias. Esse material genético pode estar:
Disperso no citoplasma
Nos procariotos.
Dentro de um núcleo
Nos eucariotos.
Os procariotos são os organismos mais antigos da Terra. Todos são unicelulares e não possuem um núcleo
organizado, isto é, o seu material genético não é separado por uma membrana nuclear chamada de
carioteca.
Essa “falta” de organização e a ausência de um núcleo definido fazem com que os procariotos sejam
parecidos com as primeiras células encontradas no nosso planeta. Tais organismos são relativamente mais
simples; além disso, a sua expressão gênica é diferente da nossa. Nós, seres humanos, pertencemos ao
grupo dos eucariontes e temos o material genético separado do citoplasma pela carioteca.
xpressão gênica
É o 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.
Material genético dos procariotos
Cromossomo procarioto
Os procariotos possuem apenas um cromossomo linear ou circular que contém todo o seu material
genético. Seu nome é DNA cromossomal.
Além do cromossomo, eles também podem possuir elementos genéticos móveis (EGMs). Os EGMs são
responsáveis por transmitir algumas características genéticas a outros indivíduos vizinhos para lhes
conferir alguma vantagem ou desvantagem. Os EGMs são partes fundamentais do DNA dos procariotos,
mesmo não pertencendo ao cromossomo.
O cromossomo dos procariotos possui uma quantidade de DNA que pode variar entre 0,16 e 13Mpb
(megapares de base).
Exemplo
O DNA da bactéria E. coli possui cerca de 4,6Mpb contido em uma célula de 2μm!
Esse volume só é possível devido ao alto grau de condensação do DNA. A condensação é feita por meio 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.
Compactação do DNA procarionte.
Elementos genéticos móveis
Os EGMs são partes fundamentais do DNA dos procariotos, mesmo não pertencendo ao cromossomo. É
importante saber que existem diferentes tipos de EGMs, vamos estudar os três principais: plasmídeos,
bacteriófagos e os transposons.
Tipos de elementos genéticos móveis (EGMs)
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 (Quilo de pares de base). 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 e não causam malefícios à célula
hospedeira.
Geralmente, os plasmídeos possuem informações que serão aproveitadas para a produção de toxinas,
pilinas, adesinas e diversos outros tipos de proteínas capazes de conferir algum tipo de vantagem para a
célula hospedeira. Justamente por isso, eles podem ser chamados também de elementos genéticos
acessórios.
Plasmídeo e DNA bacteriano.
Os plasmídeos não são normalmente sintetizados, e sim adquiridos por meio de um fenômeno denominado
conjugação bacteriana, em que uma bactéria transfere os seus plasmídeos para outra e mantém uma cópia
deles para si. Eles são de grande importância no estudo da biologia molecular por sua facilidade de
manuseio e replicação.
Essas moléculas são utilizadas como vetores nos quais uma sequência de interesse é inserida no
plasmídeo, que, por sua vez, 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 usá-lo para os mais diversos fins.
Exemplo
Uma das formas de obtenção e produção de insulina é utilizando os plasmídeos como vetores.
Bacteriófagos
São vírus que infectam bactérias, injetando o seu material genético. Eles podem se inserir no DNA
cromossomal e se replicar junto com o organismo.
Após a inserção, os genes contidos no bacteriófago são expressos e se mostram capazes de codificar
proteínas, além de toxinas e fatores de virulência e toxinas. Eles são perigosos, porque podem transformar
uma bactéria não patogênica em uma patogênica.
Alguns bacteriófagos podem até mesmo produzir capsídeo viral e se multiplicar diversas vezes, iniciando
um ciclo lítico que termina na eclosão da célula hospedeira.
iclo lítico
É a multiplicação do vírus dentro de uma célula, formando novos vírus e resultando no rompimento de dentro
para fora da membrana celular, o que libera uma grande carga viral.
DNA do bacteriófago.
Transposons
São pequenas sequências de DNA que serão inseridas de forma aleatória no DNA do organismo hospedeiro,
formando novos trechos de genoma. Esse evento é chamado de transposição e catalisado por enzimas
denominadas 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.
Representação de um Transposon.
Como quase todo o DNA bacteriano é codificante, essas inserções podem causar algumas alterações
funcionais no procarioto, como,por exemplo, a perda de atividade enzimática.
Existem três principais subgrupos de transposons:
Os ISs (Insertion sequence) são os transposons mais simples, podendo se inserir tanto no
cromossomo quanto nos plasmídeos. Com cerca de 700 a 2.500pb, eles são nomeados pela sigla IS
seguida de um número. É o exemplo do IS3 ou IS37.
Os ISs 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 – que antecede a replicação – da dupla fita de DNA,
em que o transposon é inserido na fita de DNA e replicado junto com o DNA do procarioto.
Sequências de inserção (chamadas de IS ) 
Estrutura esquemática do ISs.
Eles são chamados de transposons compostos por serem formados por duas sequências de ISs em
suas extremidades. Os Tn podem conferir vantagens a bactérias. É o caso do Tn9, que gera
resistência ao antibiótico cloranfenicol.
Método de inserção de transposons.
Com cerca de 500pb, tais elementos, em vez 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.
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, por exemplo, a
capacidade de gerar resistência a um antibiótico, todas as bactérias da colônia também ganham a
mesma resistência. Essas características foram fundamentais para a evolução e a manutenção da
vida dos organismos procariontes.
Transposons compostos (simbolizados pela sigla Tn) 
Transposons complexos (ou elementos TnA) 
Inserções transposon no genoma.
Material genético dos eucariotos
Membrana nuclear em eucariotos
Conforme já 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.
Diferença entre uma célula eucariótica e procariótica.
Para começarmos a entender o nível de complexidade da organização do material genético em eucariotos,
faremos algumas contas básicas. Todo o genoma humano possui cerca de 3.2Gpb (giga de pares de base).
Já a espécie Polychaos dubium, um pequeno parasita unicelular eucarionte, conta com 670Gpb, ou seja,
uma quantidade cerca de 200 vezes maior que o nossa.
Esse fenômeno é chamado de paradoxo do valor C, em que a complexidade do organismo não está
associada ao tamanho do seu material genético, uma vez que nós, seres humanos, somos mais complexos
que esse parasita. O paradoxo do valor C pode ser explicado pela maneira com que o DNA é codificado e
processado.
Compactação do DNA dos eucariotos
Outro fator relevante é o nível de compactação do DNA. Vamos agora fazer um comparativo entre duas
células cujos valores de pares de base existentes nós já conhecemos: a humana, com 3,2Gpb, e a E. coli,
com 4,6Mpb.
Célula humana.
Célula E. coli.
O DNA humano é contido em um diâmetro de cerca de 5 a 10μm, enquanto na E. coli esse valor é de 2μm,
ou seja, um DNA 700 vezes maior ocupa um espaço quase semelhante ao da bactéria. Isso é possível
graças a uma forma diferente de estruturação e compactação do DNA.
O genoma dos eucariotos é compactado em cinco níveis diferentes.
Nucleossomo.
No primeiro, todo DNA, que possui 2nm, é acoplado a proteínas chamadas de histonas. Essa estrutura é
conhecida como nucleossomo.
O nucleossomo possui 11nm e se compacta, formando uma estrutura solenoide de 30nm. Essas histonas
ficam bem juntas, propiciando a formação de uma estrutura ainda mais densa, como se fossem fibras.
No terceiro e quarto nível de compactação, são formadas as alças dos solenoides (parecidas com as alças
dos procariotos) com 300 e 700nm, respectivamente. No último grau de compactação, ocorre a formação
de uma alça ainda maior, 1.400nm, dando origem à estrutura chamada de cromátide cromossômica.
Duas cromátides unidas por uma estrutura denominada centrômero formam o cromossomo. O conjunto de
cromossomos, ou seja, o DNA e as proteínas acessórias (principalmente, as histonas), forma 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, já que um pequeno trecho desse telômero é
perdido devido à forma com que o DNA replica.
Cromossomo.
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.
Com o DNA menos condensado (um estado mais aberto), ele pode ser exposto a toda a maquinaria de
transcrição e/ou replicação existente, e a cromatina se encontra em um estado de eucromatina. Já no caso
de um muito condensado, a célula não consegue expressar ou replicar determinada região, e ele se
encontra no estado de heterocromatina. Há ainda a heterocromatina constitutiva, formada por trechos que
nunca serão transcritos.
Transcrição do DNA descompactado.
Normalmente, seu nome é estado de eucromatina/heterocromatina, já que não se trata de algo fixo. Desse
modo, o mesmo trecho pode ficar ora em estado de eucromatina, ora em estado de heterocromatina.
Contudo, não é errado chamá-lo apenas de eucromatina ou heterocromatina.
Os eucariotos possuem também um DNA extracromossomal, que está presente nas mitocôndrias e nos
cloroplastos (nas células vegetais) e é completamente independente do DNA cromossomal. Existem teorias
de que essas organelas eram outros organismos 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, assim, uma relação de simbiose.
Processo de compactação do DNA dos eucariotos
Neste vídeo, compreenderemos as etapas de compactação que o DNA eucarionte sofre.

Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
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 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, segundo a qual 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 nessa função.
IV. O mundo RNA dependia de organismos complexos.
Estão corretas as afirmativas:
Parabéns! A alternativa C está correta.
Vamos analisar caso a caso. Apesar de surpreendente, a teoria da panspermia (vida advinda do
espaço) não apresenta evidências suficientes. Já a de Operin e Haldane se baseia na criação da vida
por meio de moléculas orgânicas criadas de forma espontânea em um ambiente favorável, propiciando,
com o tempo, a formação de moléculas cada vez mais complexas. Essa teoria vem ganhando cada vez
mais força com novas descobertas. Os eucariotos e os procariotos usam moléculas de DNA para
A I e II.
B I e III.
C II e III.
D II, III e IV.
E I e IV.
armazenar sua informação genética, e a dupla fita de DNA é mais estável que o RNA. O “mundo-RNA” é
uma teoria que surgiu com a possibilidade de autorreplicação do RNA.
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?
Parabéns! A alternativa D está correta.
Para a maquinaria de replicação ter acesso ao DNA, ele precisa estar exposto. No caso da replicação,
todo o material genético será copiado para dar origem a uma nova célula-filha; portanto, todo o DNA
precisa estar desenovelado no estado de eucromatina. A heterocromatina seria com o DNA enovelado;
dessa forma, o DNA não teria como ser replicado.
A DNA completamente enovelado em estado de eucromatina.
B DNA parcialmente desenovelado em estado de heterocromatina.
C DNA desenovelado em estado de heterocromatina.
D DNA desenovelado em estado de eucromatina.
E DNA completamente enovelado em estado de heterocromatina.
2 - O DNA e o dogma central da Biologia
Ao �nal deste módulo, você será capaz de descrever as funções do DNA e o dogma central da
Biologia.
Dogma central da Biologia e etapa de replicação
Conceito geral do dogma central da biologia molecular
No módulo anterior, nós verificamos que o material genético é responsável por armazenar informações e
que isso ocorre preferencialmente no DNA por ele ser mais estável e por conta do fluxo de informações. As
informações presentes no DNA são transcritas para o RNA e então traduzidas para proteínas, um conceito
conhecido como o dogma central da Biologia.
Mas por que e de que forma essas etapas acontecem?
Livro de receitas trancado, assim como o DNA dentro do núcleo.
Imagine a célula humana como se fosse um restaurante antigo que era o melhor da cidade. Todas as
receitas dele estão armazenadas em um grande livro de receitas que fica trancado dentro de um armário.
Esse seria nosso DNA dentro do núcleo, considerando as células de um ser eucarioto. Quando surge a
necessidade de cozinhar algo, o armário precisa ser destrancado. Da mesma forma que estudamos antes,
determinada região de heterocromatina precisa ser exposta e se torna eucromatina para que tenhamos
acesso com o objetivo de ler o material alvo, seja ele o DNA ou o livro de receitas.
Tanto o livro quanto o DNA são extremamente preciosos: sem eles, não há vida ou restaurante. Qualquer um
dos dois, assim, não deve ser retirado do núcleo ou do armário.
Para que isso aconteça, o ideal é realizar uma transcrição desse material em outro menos valioso, seja ele
um RNA ou uma folha de caderno, porque, mesmo que lhe aconteça algum dano, isso não vai comprometer
toda a célula ou todo o restaurante. Depois de ser feita, a cópia deve ser levada até outro local para que a
receita seja executada ou traduzida em um objetivo final, como um prato do restaurante ou uma proteína.
Outra etapa muito importante é a replicação: ainda dentro da nossa analogia, ela equivaleria à necessidade
de abrir um segundo restaurante. Também precisamos ter esse livro de receitas no local; sendo assim, uma
réplica dele tem de ser feita da forma mais íntegra possível, contendo a menor quantidade de erros.
O mesmo acontece quando uma célula precisa criar uma cópia dela própria: todo o DNA é
replicado para que a célula-�lha seja idêntica à mãe.
Juntos, estudaremos cada etapa do dogma central da Biologia de forma isolada e dentro de um contexto
geral, começando pela replicação.
Uma última informação muito importante antes de começarmos: a replicação, a transcrição e a tradução
apresentarão diferenças se o organismo for procarionte ou eucarionte. Apesar de o objetivo final ser o
mesmo, o caminho varia. Isso acontece por causa da maneira com que a célula se organiza devido a:
Presença ou ausência de uma carioteca.
Forma que o material genético é organizado.
Fatores associados a tais eventos.
Para fins didáticos, nosso estudo será voltado principalmente para os organismos eucariontes, citando
algumas diferenças que ocorrem nos procariontes.
Conceito geral de replicação
Todas as células do nosso organismo possuem determinado tempo de vida; entretanto, algumas têm uma
maior dificuldade e/ou necessidade de replicação, como os neurônios, enquanto outras precisam se
multiplicar rapidamente para repor um tecido por exemplo, como as células epiteliais. Seja qual for o caso, a
célula terá de se dividir. E, para isso o DNA, precisa ser replicado.
Saiba mais
O DNA é formado por uma dupla hélice com duas orientações diferentes para que haja
complementariedade entre as fitas, como se fosse um zíper. Caso as duas fitas estivessem no mesmo
sentido, não seria possível formar uma dupla fita estável.
Uma das fitas possui uma hidroxila livre no carbono 3 da pentose; a outra fita, o carbono 5 livre na pentose,
como pode ser visto na figura a seguir. Dessa forma, uma fita é chamada de 5’→3’ e a fita complementar, de
3’→5’.
A cadeia de DNA possui uma ponta 5’ e uma ponta 3’..
Etapas da replicação
A replicação tem início com a abertura da dupla fita de DNA mediada pela enzima helicase, capaz de
separar as ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas. A região de abertura da dupla fita é
chamada de bolha de replicação.
Ao longo do DNA, são formadas várias dessas bolhas para que o processo seja ainda mais rápido. No
entanto, existem alguns problemas relacionados a isso.
Mola sendo esticada.
Já experimentou esticar um objeto espiralado, como um prendedor de cabelo ou uma mola?
Se você fizer isso, perceberá que uma tensão muito grande vai se formar na ponta do objeto: justamente por
esticar algo que estava enrolado, a mola poderia facilmente quebrar.
Acontece algo parecido com o DNA: para continuar a replicação, a fita precisa estar esticada, mas ela é uma
dupla hélice. Com isso, entra em ação a enzima topoisomerase ou DNA girase. Tal enzima tem como
função desfazer essa tensão próxima ao início da bolha de replicação, que é aberta pela helicase.
Na região aberta da dupla fita, há o acoplamento de algumas proteínas – entre elas, destacam-se a primase
e o complexo DNA polimerase (existem várias DNA polimerases, mas vamos falar da I e da III), formado por
várias subunidades com diferentes funções.
Exemplo
Ler um nucleotídeo, adicionar o nucleotídeo complementar na fita molde e ligar os nucleotídeos que estão
sendo formados para a construção de uma nova fita.
A primase é fundamental para que a DNA polimerase III comece seu trabalho. Lembra que falamos das
extremidades 5’ e 3’? A síntese de uma nova fita sempre acontece no sentido 5’→3’, pois a DNA polimerase
só consegue atuar quando ela enxerga uma ponta 3’. Vejamos as etapas do seu trabalho:
Primeiro passo
A primase vai construir uma pequena fita de RNA complementar à fita molde, com cerca de
15 nucleotídeos, para possibilitar a chegada da DNA polimerase. Esse pequeno trecho é
chamado de primer.
Segundo passo
Agora sim chega a DNA polimerase III, que é capaz de englobar a fita original para ler qual
nucleotídeo está ali presente. Em seguida, ela seleciona um novo nucleotídeo de acordo com
a fita molde – sempre respeitando a paridade A-T, C-G – e realiza a ligação desse nucleotídeo
selecionado na fita molde.
Terceiro passo
Uma vez feita a ligação de um novo nucleotídeo na fita molde, a DNA polimerase III caminha
em direção ao próximo nucleotídeo e repete o processo de forma muito rápida – e sempre no
tid 5’ 3’
Sabemos que o DNA é formado por uma dupla fita, em que uma delas está no sentido 5’→3’ e a outra, no
sentido oposto: 3’→5’. Para essa segunda fita, é mais fácil construir uma nova fita no sentido 5’→3’, uma
vez que esse já é o sentido complementar, correto?
Mas como acontece na fita 5’→3’, em que o sentido oposto é 3’→5’?
Resposta
Para resolver esse problema, a replicação da fita molde 5’→3’ ocorre de pedaço em pedaço. À medida que a
helicase vai abrindo a fita dupla, diferentes enzimas primases inserem vários primers ao longo da fita.
Depois disso, a DNA polimerase III se junta nessas regiões, contendo os primers e sintetizando um trecho
da fita até chegar próximo ao primer seguinte.
Quando a polimerase chega ao próximo primer, ela se desacopla da fita de DNA e uma outra proteínaassume a DNA ligase, que junta os diferentes fragmentos de DNA construídos. Damos o nome desses
trechos de DNA feitos ao longo da fita de fragmentos de Okazaki.
A figura a seguir exemplifica esse processo e vai facilitar o entendimento. A fita feita de forma contínua é
chamada de fita líder. A outra, montada pela união dos fragmentos de Okazaki, tem o nome de fita tardia.
Representação da bolha de replicação.
Os processos realizados pela DNA polimerase III e pela primase são muito rápidos e podem ser suscetíveis
a erros (a primase costuma errar mais que a DNA polimerase III). Um exemplo de erro seria a adição de um
nucleotídeo na posição errada ou algum nucleotídeo que não foi inserido, o que pode acontecer em um
lugar crucial para o funcionamento celular.
Dessa forma, antes do final da replicação, a DNA polimerase I é responsável por corrigir esses eventuais
erros e remover todos os primers da nova fita, os substituindo por DNA. Já as lacunas entre esses novos
trechos construídos após a remoção dos primers são fechadas pela enzima DNA ligase. Com isso, todo o
DNA é replicado e duas fitas duplas de DNA são formadas.
sentido 5’→3’.
Entretanto, não se trata de duas novas fitas duplas: em cada fita dupla de DNA, uma delas já existia antes da
replicação. Por isso, a replicação é um processo chamado de semiconservativo.
Curiosidade
Um ponto a ser considerado que difere a replicação entre eucariotos e procariotos é que, no segundo grupo,
ocorre a formação apenas de uma bolha de replicação durante todo o processo.
Agora que já vimos como o DNA é replicado nas células, podemos seguir para o fluxo de informações, que
começa com a transcrição do DNA.
Etapa de transcrição
Conceito geral de transcrição
A transcrição, em resumo, é o processo em que o DNA, responsável por manter todas as informações para o
funcionamento do organismo, expõe um trecho, chamado de gene, para ser copiado. A cópia é feita
utilizando moléculas de RNA.
Esse RNA tem como função principal chegar à maquinaria de tradução íntegro para que a informação
expressa no DNA seja perfeitamente lida e traduzida. A transcrição é um processo que ocorre de forma
diferente em eucariotos e procariotos por diversos motivos, como, por exemplo a presença/ausência da
carioteca, que separa o DNA presente no núcleo do restante do citoplasma, e pelo fato de a complexidade e
a organização do DNA serem diferentes entre essas classes de organismos.
omplexidade e a organização do DNA
Como vimos, os eucariotos organizam seu DNA em cromossomos. já os procariotos fazem isso em
plasmídeos e outros elementos.
Transcrição do DNA.
Sobre a transcrição, veremos alguns dos mecanismos que acontecem nos seres procariotos e eucariotos
para termos uma noção geral de como se dá a tradução nos diferentes organismos. Além disso, vamos
apresentar as noções básicas de regulação da expressão gênica para entender melhor os motivos que
podem aumentar ou diminuir a transcrição de um gene.
Todos os seres vivos estão em um ambiente sujeito a constantes alterações. Às vezes, é possível faltar
nutrientes ou a temperatura fica muito alta. Há inúmeras possibilidades, e nossos genes precisam
responder a essas variações.
Camelos preservam água e gordura para sobreviverem no deserto.
Se faltar um nutriente, o indivíduo que conseguir economizar melhor recursos vai sobreviver. Por outro lado,
a tendência para aqueles que continuam utilizando-o, em geral, é morrer. Existe, assim, uma seleção natural
daqueles que conseguem se adaptar rapidamente ao novo meio em detrimento dos que não têm essa
habilidade.
Poupar recursos depende do seguinte fator: que determinados genes que gastam muita energia fiquem
menos ativos, estando mais condensados (em estado de heterocromatina) para serem menos expressos.
Já os genes responsáveis pelo armazenamento de recursos, como os que expressam as proteínas
promotoras da formação do glicogênio, ficam mais ativos, ou seja, descompactados (eucromatina), para
que a maquinaria de transcrição possa acessá-los.
É importante ressaltar que existem ainda os genes essenciais para a manutenção da vida: são os
chamados genes constitutivos. Não é possível simplesmente economizar energia expressando uma menor
quantidade deles; caso contrário, existe uma alta possibilidade de isso levar à morte.
Transcrição em procariotos
Nos organismos procariontes, a transcrição ocorre a partir do acoplamento da RNA polimerase em uma
sequência de DNA denominada região promotora. A RNA polimerase é responsável por ler a fita de DNA e
construir uma molécula de RNA complementar a esse DNA, conhecido como RNA mensageiro ou RNAm,
que recebe esse nome por levar a mensagem do DNA (gene) para a maquinaria de tradução.
Saiba mais
Todos os genes (sequências de DNA codificantes) possuem uma região promotora. Essa região pode
inclusive favorecer uma maior ou menor expressão gênica, fazendo um controle negativo ou positivo a
depender da ligação de determinadas proteínas conhecidas como fatores transcricionais, que inibem ou
ativam a expressão gênica.
Vamos ver agora um exemplo mais concreto desse conceito de regulação baseado em fatores
transcricionais repressores (controle negativo) ou efetores (controle positivo).
Regulação da expressão gênica negativa.
Regulação da expressão gênica positiva.
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 do tipo
pode se ligar a um 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 é capaz
de estabelecer uma ligação com um repressor e impedir a inibição do gene.
Nos procariotos, a região codificante, cujo nome é operon, é composta por mais de um gene – em geral,
com função final relacionada (de uma mesma via metabólica). Todos os genes de determinado operon,
desse modo, vão 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, sendo chamado de RNAm
policistrônico. De modo diferente, nos eucariotos, todas as regiões promotoras estão associadas a apenas
um gene; sendo assim, o RNAm final possui informações apenas desse gene, tendo o nome de RNAm
monocistrônico. Apesar de o RNAm dos eucariotos ser formado por apenas um gene, ele precisa ser
processado para continuar a sua jornada.
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 ele vai iniciar a tradução.
Agora que já possuímos uma noção sobre a transcrição nos procariotos, podemos ver com mais detalhes
esse processo nos organismos eucariontes.
Etapa de transcrição em eucariotos
Conceito geral de transcrição em eucariotos
Vamos considerar a estrutura e organização dos procariotos:
Seres unicelulares cujo material genético quase todo é codificante.
Proteínas interligadas de uma mesma via metabólica sendo expressas.
Regulação básicas de ativação ou repressão genética e promotores.
Observaremos que as células procariontes funcionam muito bem se pensarmos que elas são unidades
individuais, buscando a sobrevivência. De modo diferente, se considerarmos os organismos multicelulares,
veremos que eles possuem um maior nível de complexidade e que, 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 organismomais complexo, como no caso dos seres eucariontes em que todas as células, mesmo com funções
variadas, possuem o mesmo DNA – temos, ainda por cima, uma porcentagem proporcionalmente menor de
genes codificantes. Vamos conhecer um exemplo?
Exemplo
No quesito especialização celular, uma célula do seu intestino precisa absorver e transportar nutrientes com
muita eficiência. Já uma célula da sua pele tem de se multiplicar mais, conferir resistência e acumular
queratina. No entanto, os dois tipos celulares têm os mesmos genes, assim como praticamente todo o DNA
é igual!
O segredo desse paradoxo é a regulação gênica e o processamento do RNAm. Para ser possível transcrever
uma fita de DNA, primeiramente há o acoplamento da RNA polimerase na fita dupla. Esse DNA precisa estar
acessível à maquinaria de transcrição, ou seja, em um estado descompactado.
Compactação e descompactação do DNA
A compactação e a 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. Essas alterações são:
Metilação
A adição de grupamentos metila favorece a compactação do DNA pelas histonas, impossibilitando a
atuação da maquinaria transcricional.
Acetilação
A adição de grupamentos acetil favorece a descompactação do DNA, possibilitando a atuação da
maquinaria de transcrição. Esse mecanismo é catalisado pelas proteínas histona acetil transferase (HAT) e
é reversível.
Importante ressaltar que por conta do HAT, 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 que as células da sua pele. Esses trechos vão expressar proteínas responsáveis pela
absorção dos nutrientes. Nas células da pele, os mesmos trechos estarão com as suas respectivas histonas
metiladas, isto é, 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.
Metilação do DNA
Outro mecanismo de inibição da expressão gênica é dado pela metilação do próprio DNA – mais
especificamente, na posição 5 do anel de citosina, o 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. Ela constitui, assim,
partes não codificantes.
No entanto, tal metilação pode ser passada para as células-filhas no processo de replicação durante a
multiplicação celular, garantido a sua hereditariedade. Elas se localizam principalmente perto do sítio de
início da transcrição de genes constitutivos.
Saiba mais
Nos eucariotos, levando em consideração a regulação da transcrição, há ainda as sequências reguladoras,
que são bastante semelhantes aos operadores dos procariotos. Mas essas sequências podem, nos
eucariotos, estar localizadas a milhares de pares de base de distância do promotor.
Outros pontos de regulação da expressão gênica
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. Isso se verifica, por exemplo, em:
Processamento pós-transcricional.
Degradação do RNAm.
Tradução.
Processamento pós-traducional.
Degradação e transporte da proteína gerada.
Como sabemos, os eucariotos são organismos bastante complexos, com milhares de diferentes interações.
A cada dia, os cientistas descobrem novos conceitos e novas formas de regulação gênica.
Por isso, vamos nos concentrar em algumas das regulações mais relevantes, como o splicing alternativo e a
maturação do RNAm, no nível do processamento pós-transcricional, assim como nos recém-descobertos
miRNA (microRNA) e siRNA (small interferenceRNA), para a 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 isso 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 esse processo será realizado) conforme as suas funções, originando,
assim, proteínas diferentes a partir do mesmo gene.
Após a transcrição do gene, é formado um pré-RNAm. Ele é processado por um complexo de RNA e
proteínas denominado spliciossomo, em que, a depender do padrão de splicing celular no momento da
transcrição, alguns trechos do pré-RNAm são considerados éxons e outros, íntrons.
Os trechos íntrons são removidos do pré-RNAm, enquanto os trechos éxons são ligados pelo spliceossomo,
gerando um pré-RNAm formado apenas com éxons segundo o padrão de splicing. É o que demonstra a
figura a seguir.
plicing alternativo
O termo em inglês splicing significa emendar. Já “alternativo” se refere ao fato de eles serem íntrons e éxons;
logo, são ligados de forma alternada.
Diferentes isoformas do RNAm.
Um mesmo gene pode dar origem a uma enorme quantidade de diferentes RNAm e, por consequência,
proteínas distintas. Dessa maneira, com uma quantidade relativamente baixa de genes codificantes, os
eucariotos conseguem 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:
A primeira etapa
É a adição do cap 5’, dada 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’ promove a ligação na
organela, além de também ter ação protetora. Ele é fundamental para:
O reconhecimento do RNAm maduro.
A exportação do RNAm para fora do núcleo.
O endereçamento do RNAm em direção ao ribossomo.
ap 5’
A palavra cap significa boné e, nesse caso, pode ser traduzida para capacete 5’. Por isso, seu nome é 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
Constitui uma adição de uma cauda chamada de “poli-A” na extremidade 3’ do RNA. A cauda tem esse
nome por ser formada por 80 a 250 resíduos de adenina.
Ela também serve para proteger o RNAm de degradação enzimática durante todo o processo de locomoção
em direção ao ribossomo. A cauda poli-A é clivada por endonucleases quando o RNAm encontra o
ribossomo.
Com a adição do cap 5’ e da cauda poli-A, o RNAm se torna maduro e pode ser traduzido pelo ribossomo 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 serão enviadas para o núcleo, onde elas
são removidas, e o RNAm agora “não maduro” será degradado.
Processamento do RNAm.
A última regulação genética que vamos estudar é a mediada por pequenos RNAs:
miRNAs
Os miRNAs apresentam cerca de 19 a 28pb (pares de base). Eles 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 estruturaem forma de grampo de cabelo; conhecida como hairpin, ela é clivada
por uma endonuclease dicer (endonucleases são proteínas que cortam a fita de RNA ou DNA de forma
precisa), formando os miRNAs.
siRNAs
Já os siRNAs, com cerca de 22 a 23pb, são exógenos (oriundos do RNA viral) ou endógenos (oriundos de
retrotransposons), sendo formados a partir de um pareamento perfeito de uma dsRNA. Eles 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 do RNAm 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.
Mecanismo de ação do miRNA e siRNA
Recentemente descobertos, os siRNA e miRNA têm um papel muito importante no controle da expressão
gênica em eucariotos. Ainda tentamos entender melhor como eles funcionam, embora suas aplicações
médicas pareçam ser muito promissoras.
Exemplo
Uma pessoa com o metabolismo alterado para produzir grandes quantidades de colesterol endógeno pode
ter diversos problemas de saúde oriundos do alto colesterol. No futuro, para o caso dela, talvez seja
possível construir siRNAs específicos para silenciar a expressão de HMG-CoA redutase, a principal enzima
da síntese de colesterol endógeno, o que possibilidades para uma nova terapia genética.
Etapa de tradução
Conceito geral de tradução
O processo de tradução é bastante parecido nos organismos eucariontes e procariontes. A maior diferença
é que, nos procariontes, o RNAm não precisa sair do núcleo. Desse modo, veremos esse processo de forma
independente do tipo de organismo.
Após o RNAm ser transcrito e processado no citoplasma, este pode levar a informação para uma estrutura
conhecida como ribossomo, organela responsável por sintetizar proteínas.
O ribossomo é composto de duas subunidades:
Subunidade maior (chamada de 50S)
A subunidade maior é dividida em três partes:
Sítio A
Os aminoácidos entram no ribossomo.
Sítio P
Em que é formada a cadeia peptídica.
Sítio E
Em que é formada a cadeia peptídica.
O termo “cadeia peptídica” é dado a uma cadeia de aminoácidos ligados por ligações peptídicas. Trata-se
de interações entre um grupamento amina e um carboxila que estão presentes nas extremidades dos
aminoácidos. Por isso, aliás, eles recebem o nome de aminoácido: amin(a) e ácido (carboxílico).
Subunidade menor (chamada de 30S)
A 30S é responsável pelo acoplamento e pela leitura do RNAm.
Esquema do funcionamento do ribossomo durante a tradução.
Processo de tradução
O processo de tradução se inicia pela leitura do RNAm, sendo realizado de 3 em 3 nucleotídeos. Essa trinca
é conhecida como códon.
É importante saber que a leitura se inicia por um códon específico chamado de start códon e formado pelas
bases AUG. Começa dessa maneira o processo de tradução: sempre lendo de três em três nucleotídeos e
adicionando um novo aminoácido à cadeia peptídica até determinado ponto, em que haverá um códon de
parada chamado de stop códon.
Dica
Sempre que o ribossomo lê um códon, ele adiciona um aminoácido específico, definido a partir da leitura do
códon, na cadeia peptídica.
Em resumo, o processo de tradução funciona dessa forma, mas ainda existem dúvidas a serem
respondidas.
Como o ribossomo sabe qual é o aminoácido correto que ele precisa adicionar?
Como esse aminoácido chega à subunidade 50S?
A resposta está em um outro tipo de RNA, o RNA transportador ou RNAt. Ele tem uma estrutura bastante
peculiar, parecendo um grampo de cabelo.
Em uma de suas extremidades, o RNAt possui um aminoácido acoplado e, na extremidade oposta, uma
sequência de três nucleotídeos que será complementar à do códon de leitura presente no RNAm, sendo
chamada de região anticódon. Cada diferente sequência anticódon conta com um aminoácido específico
que será adicionado no ribossomo à cadeia peptídica, formando uma proteína funcional.
Estrutura do RNAt.
Código genético universal e degenerado
Todos os seres vivos existentes compartilham o mesmo código de códons conhecido como código
genético universal e degenerado, estando associados aos mesmos aminoácidos! Trata-se de mais um
indício que corrobora a confirmação da teoria da evolução, segundo a qual todos nós viemos de um mesmo
ancestral comum.
Código genético universal.
Vale notar que o código genético universal também é chamado de degenerado pelo fato de a primeira e a
segunda base se repetirem para os seus relativos aminoácidos. A variação ocorre principalmente na terceira
base. Esse é mais um mecanismo de redundância e de minimização de erros, já que, caso aconteça alguma
mutação, se ela for na terceira base do códon, haverá uma grande chance de ser uma sem relevância,
porque ela vai expressar o mesmo aminoácido.
Por fim, a cadeia peptídica expressa a partir do RNAm contendo vários aminoácidos sofre uma ação do
complexo enzimático denominado chaperona. A chaperona fica responsável por otimizar a estrutura
terciária dessa cadeia, auxiliando na construção da proteína funcional e liberando, no fim da sua reação, a
proteína em seu estado final.
Comentário
Assim concluímos o fluxo de informação conhecido como dogma central da Biologia. Existem ainda alguns
vírus com capacidade de burlar esse fluxo pela ação de enzimas específicas, como é o caso da
transcriptase reversa. Tais casos, porém, são especiais e precisam ser estudados de forma mais profunda.
Dogma central da Biologia
Neste vídeo, apresentaremos de maneira geral o conceito do dogma central da Biologia.

Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
São exemplos de modificações pós-transcricionais em organismos eucariontes:
Parabéns! A alternativa A está correta.
A adição da cauda poli-A e do cap 5’ é uma estratégia que ajuda no endereçamento do RNAm para fora
do núcleo em direção ao ribossomo e confere mais resistência ao RNAm.
Questão 2
Quais são as principais funções da DNA polimerase I e da III, respectivamente?
A Adição da cauda poli-A e adição do cap 5’.
B Adição do cap 5’ e abertura mediada por helicase.
C Adição de aminoácido e abertura por helicase.
D Adição da cauda poli-A e retirada dos fragmentos de Okazaki.
E Abertura mediada por helicase e retirada dos fragmentos de Okazaki.
A Abrir a dupla fita de DNA e remover os primers de RNA formados.
B Remover os primers de RNA, adicionando DNA, e construir a fita líder.
C Ligar os fragmentos de Okazaki e abrir a dupla fita de DNA.
D Remover a tensão da dupla fita e adicionar pares de base na fita simples de RNA.
Parabéns! A alternativa B está correta.
A DNA polimerase I é responsável por remover os primers de RNA, que começam a construir os
fragmentos de Okazaki com o intuito de possibilitar a construção da fita tardia e adicionar DNA no lugar
do RNA, que é sintetizado pela primase. Já a polimerase III constrói a fita complementar de DNA no
sentido 5’-3’.
Considerações �nais
Vimos neste conteúdo 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, conhecemos a teoria
mais aceita atualmente para explicar como a vida surgiu no nosso planeta.
Em seguida, aprendemos de que forma o material genético está organizado nos eucariotos e procariotos,
observando ainda alguns dos mecanismos de regulação da expressão gênica.
Por fim, percorremos todo o dogma central da Biologia, que explica de que modo funciona o fluxo de
informações presente no nosso material genético. Entendemos o seu sentido, indicando quais etapas
ocorrem para que ele seja expresso e para que sejam produzidas as proteínas funcionais, as quais, por sua
vez, realizam todas as etapas para o funcionamento de um ser vivo.
Podcast
Neste podcast o especialista vaiabordar exemplos práticos da aplicação clínica e laboratorial da biologia
molecular, como utilização de plasmídeo para produção de insulina por meio da replicação, entre outros
exemplos.
E Abrir a dupla fita de DNA e adicionar pares de base na fita simples de RNA.
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Para conhecer um pouco mais sobre a história da biologia molecular, leia Os genes e o gene, matéria de
Rogerio Meneghini publicada na revista FAPESP.
Qual foi papel de Rosalind Franklin no modelo da dupla hélice do DNA de Watson e Crick? Para saber mais,
consulte no Scielo Brasil o artigo As controvérsias a respeito da participação de Rosalind Franklin na
construção do modelo da dupla hélice, de Marcos Rodrigues da Silva, publicado em 2010.
Michael Russell demonstrou que existem fontes de águas termais no fundo dos oceanos que, aquecidas
pelo manto da Terra, 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, de 2017.
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