Mutação gênica

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Mutação gênica
Universidade Estadual do Ceará – UECE
Faculdade de Educação, Ciências e Letras do sertão Central – FECLESC
Introdução
Hoje sabe-se que a molécula de DNA é composta por Desoxirribose, ácido fosfatado, e bases nitrogenadas, as quais formam o códon, que será usado como base para a síntese de diferentes proteínas por meio do sequenciamento de diferentes aminoácidos.
Introdução
Introdução
As alterações de bases nitrogenadas durante o processo de tradução pode acarretar nas chamadas Mutações gênicas.
Uma mutação é definida como uma alteração herdada na informação genética. (Benjamim A. Pierce)
A importância das mutações gênicas
As mutações são as fontes de toda a variação genética, a matéria prima da evolução. Sem a variação genética os organismos não poderiam se adaptar às constantes mudanças que ocorrem no meio onde vivem.
As mutações também são úteis para estudar os processos biológicos fundamentais.
Categoria das mutações
Somáticas
Surgem nos tecidos somáticos, que não produzem gametas.
Quando mais cedo ocorrer, maior o número de clones de células no organismo que conterá a mutação.
O seu efeito depende de muitos fatores, incluindo o tipo de célula no qual ocorre e o estágio de desenvolvimento no qual surgem.
Germinativas
Surgem nas células que produzem gameta, e podem ser transmitidas às gerações futuras.
Tipos de mutações gênicas
Substituição de bases
Tipo mais simples de mutação.
Ocorre alteração de um único nucleotídeo.
Transcrição – ocorre entre bases de mesma categoria química.
Transversão – ocorre entre bases de categoria química diferente.
Transições possíveis
Pirimidinas
C – T 
T – C
G – A
A – G
Purinas
Transversões possíveis
Purinas 
X Pirimidina
A – T
A – C
G – C
G – T
Pirimidina X
Purinas 
T – A
C – A
C – G
T – G
Inserção e deleção
Adição ou remoção de um ou mais pares nucleotídeos.
São mais frequentes que a substituição de bases.
Pode levar à mudança na matriz de leitura, alterando os aminoácidos após a mutação.
Têm afeito drástico no fenótipo.
As inserções e deleções de múltiplos de três deixarão a matriz intacta, e serão chamas, respectivamente, de inserções na matriz (in-frame) e deleções na matriz.
Expansão de repetições de nucleotídeos.
O deslizamento (slippage) na replicação do DNA e o crossing over entre repetições desalinhadas são duas fontes possíveis de expansão.
Exemplos de doenças causadas por repetições detrinucleotídeosem expansão
Sequência
Frequência normal
Frequência doente
Atrofia muscular espinhal e bulbar
CAG
11-33
40-62
Sindrome do X frágil (FMR-1)
CGG
6-54
50-1.500
Doença de Huntigton
CAG
9-37
37-121
Efeito fenótipo das mutações
Silenciosa – há substituição de uma base por outra que codifique o mesmo aminoácido, e, por tanto, não ocorre mudança quanto a função da proteína sintetizada.
Isso se deve a redundância do código genético.
Sentido trocado – a substituição de bases causa troca de aminoácidos e mudança na função da proteína sintetizada.
Ex.: Siclemia ou anemia falciforme
Sem sentido – a troca de bases gera um códon de parada (stop), acarretando no término prematuro da tradução.
Mutações supressoras
Uma mutação supressora é uma mutação que esconde ou suprime o efeito da outra.
Podem ser de dois tipos:
Supressor Intragênico – que está no mesmo gene que contem a mutação que está sendo suprida.
Pode funcionar de dois modos:
Pode mudar um segundo nucleotídeo no mesmo códon ou podem suprir uma mudança na matriz de leitura.
Se a mutação natural é uma deleção de base, então a adição de uma única base em outra parte do gene irá restaurar a matriz de leitura original
Supressor Intergênico – Ocorre em um gene diferente do portador da mutação original.
Causas das mutações
As mutações resultam tanto de fatores internos quanto externos.
Podem ser classificadas em:
Espontâneas – Se causadas por mudanças naturais na estrutura do DNA.
Induzidas – Se causadas por substâncias ambientais ou radiação.
Erros espontâneos de replicação
As bases existem em formas químicas chamadas tautômeros.
A causa primária dos erros de replicação antes eram tidas como sendo as mudanças tautoméricas, nas quais a posição dos prótons nas bases de DNA mudam.
O pareamento padrão de Watson e Crick está entre as formas comuns de bases, mas se as bases estão em suas formas tautoméricas raras, são possíveis outros pareamentos de bases.
O mau pareamento também pode ocorrer pela oscilação, na qual formas normais, protonadas, e outras formas são capazes de parear devido a flexibilidade na estrutura helicoidal do DNA.
Quando uma base mau pareada é incorporada em uma cadeia de nucleotídeos recém-sintetizada diz que ocorreu um erro de incorporação.
Exemplo
Na replicação, a adenina faz par errado com a citosina devido a oscilação. Na próxima rodada de replicação, as duas bases mal pareadas se separam, e cada uma serve como molde para a síntese de um novo filamento de nucleotídeos.
Desta vez a citosina pareia-se com guanina produzindo outra cópia original de DNA.
Exemplo
No outro filamento, entretanto, a adenina incorporada incorretamente serve como molde e faz par com timina, produzindo uma molécula que tem erro (T-A em lugar de C-G).
O erro original incorporado leva a um erro replicado, que cria uma mutação permanente.
O salto ou deslizamento pode ocorrer quando um filamento de nucleotídeos forma uma alça.
Se ocorrer no filamento recém-sintetizado, resulta em uma inserção.
Se ocorrer no filamento molde, resulta em uma deleção.
Durante o crossing over, se houver pareamento desigual, resultará uma molécula com inserção e outra com deleção.
Trechos de sequências repetidas, tais como repetições de trinucleotídeos ou repetições homopoliméricas (mais de cinco repetições da mesma base em uma sequência), são propensos a saltos no filamento.
Mudanças químicas espontâneas
Além das mudanças espontâneas que surgem na replicação, as mutações também resultam das mudanças químicas espontâneas no DNA.
Uma dessas mudanças é a depurinação, a perda de uma purina de um nucleotídeo. Ocorre quando uma ligação covalente que se liga à purina e ao átomo de carbono 1’ do açúcar desoxirribose (N-ẞ-glicosídica) se rompe, produzindo um sítio apurínico.
Um sítio apurínico não serve de molde para uma base complementar na replicação.
Na ausência de restrições de pareamento de bases, é incorporado um nucleotídeo incorreto (geralmente Adenina) levando a um erro incorporado.
Na próxima rodada de replicação, o erro incorporado é transformado em um erro de replicação.
Outra mudança química que ocorre espontaneamente no DNA é a desaminação, que é a perda de um grupo amina (NH2) de uma base. Pode ser induzida por algumas substâncias.
A desaminação da Citosina (pelo ácido nitroso), por exemplo, produz Uracila, que faz par com Adenina durante a replicação, produzindo uma transição C-G para T-A.
O ácido nitroso também muda a adenina em hipoxantina, que faz par com citosina, levando a uma transição T-A para C-G.
Também desamina a guanina, produzindo xantina, que faz par com citosina e guanina.
Mutações quimicamente induzidas
Esses tipos de mutações são causadas por um agente chamado mutágeno.
Qualquer agente ambiental que aumente significativamente a taxa de mutação acima da taxa espontânea é chamado de mutágeno.
Os principais tipos de mutágenos são:
Análogos de bases – Substâncias com estruturas similares as de qualquer uma das bases padrões do DNA.
As DNA polimerases não podem distinguir esses análogos das bases padrões. Assim, se os análogos estiverem presentes durante a replicação, eles podem ser incorporados em moléculas de DNA recém-sintetizadas.
São exemplos de análogos:
5-bromouracil: Análogo da Timina e pode parear-se com Guanina.
2-aminopurina: Análogo da Adenina e pode parear-se com Citosina.
Agentes alquilantes – Substâncias que doam grupo alquil.
Incluem grupos metil (CH3) e etil (CH3 – CH2), que são adicionadas à bases por algumassubstâncias.
Exemplos de agentes alquilantes:
etilmetanossulfanato – Adiciona grupo etil à Guanina (6-etilguanina que faz par com Timina)
Hidroxilamina – Mutágeno modificador de base muito especial que adiciona um grupo hidroxila a uma Citosina, convertendo-a em hidroxilaminocitosina.
Reparo de DNA
Existem várias vias complexas de reparo de DNA.
A primeira é que a maioria dos mecanismos requer dois filamentos de DNA, pois a maioria substitui nucleotídeos inteiros, e é necessário um filamento molde para especificar a sequência de bases.
Uma segunda é a redundância, significando que muitos tipos de danos podem ser corrigidos por mais de uma via de reparo.
Essa redundância testemunha a importância do reparo de DNA para a sobrevivência da célula: ela garante que quase todos os erros de DNA sejam corrigidos.
Se um erro escapa a um mecanismo de reparo, ele provavelmente será reparado por outro sistema.
Tipos de sistemas de reparo
Reparo de mau pareamento
Algumas dessas correções são feitas na revisão. As DNA polimerases têm a capacidade de reconhecer e corrigir os nucleotídeos mau pareados.
Quando um nucleotídeo é adicionado a um filamento de DNA recém-sintetizado e fica mau pareado, a polimerase para.
Ela usa então a sua atividade exonuclease (3’ – 5’) para voltar e remover o nucleotídeo incorretamente inserido antes de continuar a polimerização (5’ – 3’).
Esse sistema também corrige pequenas alças não pareadas no DNA, tais como as causadas por deslizamento do filamento de replicação.
As bases mau pareadas distorcem a estrutura tridimensional do DNA, e as enzimas de reparo detectam essas distorções.
Algumas repetições de trinucleotídeos podem formar estruturas secundárias no filamento não pareado, permitindo que escapem à detecção do reparo de mau pareamento.
Após reconhecimento do erro, as enzimas de reparo cortam o trecho distorcido do filamento recém-sintetizado e preenchem o espaço com novos nucleotídeos, usando o filamento de DNA original como molde.
Para que essa estratégia funcione, o reparo do mau pareamento deve distinguir o filamento velho do novo, para que o erro seja incorporado, e não parte do filamento original seja removida.
Em Escherichia coli, as proteínas que efetuam o reparo do mau pareamento, diferenciam o filamento novo do velho pela presença do grupo metil no filamento original.
Reparo direto
Os mecanismos de reparo direto não substituem nucleotídeos alterados, mas sim os mudam de volta à suas estruturas originais.
Um dos mecanismos de reparo mais bem caracterizado é a fotorreativação de dímeros de pirimidina induzidos por UV.
A E. coli e algumas células eucarióticas possuem uma enzima chamada fotólise, que usa a energia capturada da luz para quebrar ligações covalentes que ligam as pirimidinas em um dímero.
O reparo direto corrige O6-metilguanina, um produto alquilante da guanina que faz par com adenina, produzindo transversões
G-C T-A.
Uma enzima chamada O6-metilguanina matiltransferase remove o grupo metil da O6-metilguanina, restaurando a base guanina.
Reparo por excisão de bases
No reparo por excisão de bases, as bases modificadas são primeiro excitadas e então todo o nucleotídeo é substituído.
A excisão de bases modificadas é catalizada por um conjunto de enzimas chamadas DNA glicosilases, cada uma das quais reconhece e remove um tipo específico de base modificada cortando a ligação que uni a base ao átomo de carbono 1' da desoxirribose.
Após a base ter sido removida, uma enzima chamada Ap endonuclease corta a ligação fosfodiéster, e outras enzimas removem o açúcar desoxirribose.
A DNA polimerase então adiciona novos nucleotídeos a serem expostos ao grupo 3'-OH, substituindo um trecho do filamento danificado.
O corte no arcabouço fosfodiéster é selado pela DNA ligase, e a sequência original intacta é restaurada.
Reparo por excisão de nucleotídeos
Remove volumosas lesões no DNA que distorcem a dupla hélice, tais como dímeros de pirimidina ou grandes hidrocarbonetos ligados ao DNA.
É bem versátil e pode reparar muitos tipos diferentes de danos ao DNA.
Primeiro um complexo de enzimas percorre o DNA, procurando distorções de sua configuração tridimensional.
Quando é detectada uma distorção, enzimas adicionais separam os dois filamentos de nucleotídeos na região danificada, e proteínas de ligação unifilamentar estabilizam os filamentos separados.
Em seguida, o arcabouço açúcar-fosfato do filamento danificado é cortado em ambos os lados do dano.
É feito um corte de cinco nucleotídeos antecedentes ao dano, e outro corte é feito a oito nucleotídeos (em procariontes) ou 21-23 (em eucariontes) posteriores ao dano. O filamento cortado é removido e o espaço é preenchido pela DNA polimerase e selado pela DNA ligase. 
Referências Bibliográficas
Genética – um enfoque conceitual
Benjamim A. Pierce – Baylon University
Traduzido por Paulo A. Motta
Guanabara Koogan 2003/2004
Lehninger, Albert Laster, 1917 – 1986.
Lehninger princípios de bioquímica/David L. Nelson.
Michel M. Cox; traduzido por Arnaldo Antônio Simões,
Wilson Roberto Navega Lodi -- 3. ed. -- São Paulo 2002