Funcao Genica

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FUNÇÃO GÊNICA
A informação genética está codificada na seqüência de bases nos ácidos nucléicos de uma maneira análoga aquela em que a seqüência de letras de um livro contém na informação, portanto, genes podem ser pensado como “Frases Moleculares” nas quais as “Palavras” consistem de uma certa seqüência de “Letras” – os nucleotídeos.
A função de um gene é controlar o genótipo e influenciar o fenótipo, através do controle do desenvolvimento e do funcionamento dos organismos.
Hoje sabemos que este controle é exercido através do controle do metabolismo celular e que os genes controlam o metabolismo especificando a estrutura de enzimas e outras proteínas, sendo que as enzimas são os catalizadores que modulam toda a atividade química nos organismos vivos.
A 1ª sugestão de uma ligação entre Genes e Enzimas foi dada por Garrod (1902) que descreveu uma doença, a Alcaptonuria, que é herdada de acordo com as leis de Mendel, como um traço autossômico recessivo.
Os alcaptonúricos sofrem: 1. Artrite, 2. Produzem urina que escurece em contato com o ar.
Garrod observou que estes indivíduos acumulam e excretam na urina todo Ac. Homogentísico que ingerem mas que indivíduos normais não acumulam e, portanto, podem metabolizar esse ácido em seus produtos de degradação. A alimentação de alcaptonúricos com fenilalanina e tirosina aumentava a excreção de ácido homogentísico, o que mostrava que aquelas substâncias eram precursoras desta e que portanto os genes deviam regular reações químicas específicas.
Ele sugeriu que os alcaptonúricos não devem ter a enzima que metabolisa o ácido homogentísico, relacionando assim 1 Gene com 1 Enzima.
Em 1951 demonstrou-se que uma enzima, a oxidase do ácido homogentísico transforma o ácido homogentísico em ácido maleilacetoacético o qual, por sua vez, podia ser degradado até CO2 e H2O, logo, o gene da alcaptonúria é o gene que controla a presença desta enzima.
Hoje sabe-se que a mesma via metabólica, que começa com ingestão de fenilalanina, pode ser interrompida em várias etapas por genes que dão lugares a outros tipos de erros inatos do metabolismo, tais como fenilcetonúria, tirosinose e albinismo (Figura 1).
Garrod propôs uma explicação semelhante para 3 outras condições humanas, incluindo o albinismo, que ele sugeriu ser devido a um bloqueio metabólico na rota que vai da tirosina até a melanina. Essas doenças bioquímicas hereditárias foram denominadas por Garrod de erros inatos do metabolismo e suas descobertas foram possíveis porque ele reconheceu que a posição de um bloqueio metabólico podia ser identificado pelo acúmulo no corpo da substância imediatamente anterior ao passo bloqueado. Este princípio simples tornou-se extremamente importante na investigação das rotas metabólicas.
A precisa relação entre genes e enzimas foi formulada por Beadle e Tatum em 1941 com a hipótese um gene – uma enzima (Premio Nobel, 1958).
Segundo esta hipótese:
Todos os processos bioquímicos, em todos os organismos, estão sob controle gênico;
Os processos bioquímicos globais podem ser subdivididos em uma série de reações individuais escalonadas;
Cada reação acha-se controlada, de forma primária, por um só gene, ou seja, existe uma correspondência 1:1 entre o gene e a reação bioquímica, de modo que a mutação em um só gene traz consigo alterações da capacidade, por parte da célula, de levar a cabo uma só reação primária.
A hipótese subjacente consiste em que cada gene controla a produção, a função e a especificidade de uma determinada enzima.
Assim, o produto final de um processo metabólico acha-se afetado por uma sucessão de enzimas, cada uma produzida por um determinado gene.
O esquema abaixo ilustra esta situação:
 Gene A Gene B Gene C
 Enzima a Enzima b Enzima c
Passo A Passo B Passo C
SUBSTRATO ( PRODUTO A ( PRODUTO B ( PRODUTO C
Esta hipótese não se apóia só nos resultados de Neurospora como também deriva-se de achados do homem, plantas e em Drosophila.
MUTAÇÕES E ROTAS BIOQUÍMICAS EM MICROORGANISMO
Para analisar o efeito bioquímico dos genes, Beadle e Tatum, usaram mutantes de Neurospora, uma vez que este é um organismo simples, que pode ser cultivado em um “meio mínimo” definido (constituído de açúcar, alguns ácidos e sais orgânicos, uma fonte de nitrogênio e a vitamina biotina), além disto, pode se isolar e cultivas mutantes metabólicos deste organismo, descobrindo-se os compostos suplementares necessários para o crescimento destes mutantes no meio mínimo (Figura 2).
Desta forma descobriram uma série de mutações, que só cresciam em meio mínimo quanto da adição de uma só substância. Por exemplo, as 3 primeiras mutações por eles detectadas, oxd, thi e pab, poderiam crescer em meio mínimo suplementado por piridoxina, tiamina e ácido p-aminobenzóico, respectivamente.
Ao ampliar-se este trabalho com muitos outros, descobriu-se que mutações que bloqueavam a síntese de um composto determinado nem sempre era causadas pelo bloqueio do mesmo passo metabólico, algumas mutações, tais como as que afetam a síntese do triptofânio, consistem em, pelo menos, 4 subgrupos de mutantes. Em Salmonella typhymurium, por exemplo, a síntese do triptofânio é bloqueada pela incapacidade de síntese em certos mutantes, tal como o trip-3, do ácido antranílico, esta incapacidade de síntese pode ser suplantada pela adição de ácido antranílico, indol-glícero-fosfato, indol ou triptofânio ao meio de cultura, restabelecendo-se assim o crescimento de tais mutantes no meio mínimo. Certas linhagens mutantes podem crescer com a adição de tanto indol-glícero-fosfato, indol como triptofânio. Outras linhagens como a trip-3, podem crescer tanto com indol como com triptofânio, enquanto que certos mutantes tais como o trip-1 só pode crescer com a adição de triptofânio. Estes resultados indicam a presença de uma via metabólica para a síntese de triptofânio, que pode ser interrompida em muitos passos ao longo da via. A Figura 3 mostra as diferentes classes de mutação de E. coli (A a E) que afetam estas vias. Como deve ser esperado, uma mutação que bloqueia um passo particular dessa rota causaria a acumulação de algum composto precursor na rota bloqueada. Mutações trip-D em E. coli, por exemplo, acumulam ácido antranílico e mutações trip-A acumulam indol-glícero-fosfato.
Na análise da genética das rotas metabólicas, nota-se que substâncias que permitem o crescimento de uma linhagem mutante são produzidas DEPOIS do bloqueio causado pela mutação. Por exemplo, mutantes de E. coli trip-E podem ser suplementados com ácido antranílico, indol-glícero-fosfato, indol e triptofânio. Isto significa que quanto mais cedo uma mutação age na rota metabólica, mais substâncias intermediárias podem ser usadas para crescimento, enquanto que mutantes que agem mais tarde na rota só podem utilizar poucas substâncias, produzidas no fim da rota: por exemplo, mutações trip-B devem ser diretamente suplementadas com o produto final triptofânio. Pelo mesmo raciocínio, nós podemos distinguir se uma substância metabólica é formada no início ou no fim de uma rota pelo número de tipo diferentes de mutações que podem utilizar a substância para crescimento. Isto é, substâncias produzidas no fim da rota podem ser utilizadas por um maior número de mutantes do que substâncias produzidas no início da rota (Figura 4).
Assim, TODOS os mutantes trip podem utilizar triptofânio para crescer, indicando que este composto está no fim da rota. MUITOS podem utilizar indol, indicando que este é também produzido na parte final da rota e que muitos bloqueios, devidos a mutação, vem antes do passo que produz o indol. Por outro lado, MUITO POUCOS mutantes podem utilizar ácido antranílico para crescimento, o que indica que este produto está no inícioda rota, já que estes bloqueios devem ocorrer antes da formação do ácido antranílico.
Em geral, se dois mutantes em uma rota particular diferem no número de substâncias intermediárias que eles podem usar, (por exemplo, o mutante 1 pode utilizar substâncias X, Y e Z e o mutante 2 pode utilizar X e Y) a(s) substância(s) intermediária(s) que NÃO podem ser utilizadas pelo mutante que utiliza o menos número de substâncias (por exemplo, substância Z) deve vir ANTES na rota metabólica do que as substâncias (X e Y) que podem ser usadas por ambos mutantes. Se a substâncias Z fosse produzida DEPOIS da síntese de X e Y, ambos os mutantes 1 e 2, que estão bloqueados nos passos X e Y, deveriam ser capazes de utilizar Z para crescer.
No entanto, a determinação das rotas metabólicas nem sempre é tão simples como este método. Algumas substâncias intermediárias não podem ser usadas experimentalmente porque são instáveis não sendo, por isso, capazes de penetrar na célula.
Em combinação com outros estudos, estes fatos indicam que uma mutação aparece como um “bloqueio” metabólico, usualmente afetando um só passo de uma reação química. Na maioria dos casos investigados, a causa do bloqueio deve-se à perda da função ou à perda da enzima que é usualmente ativa ou presente neste passo metabólico particular. Foi desta maneira que Beadle e Tatum relacionaram não somente os genes com o metabolismo mas mostraram a relação existente entre 1 gene – 1 enzima.
O conceito 1 GENE – 1 ENZIMA foi mais tarde modificado para 1 GENE – 1 POLIPEPTÍDEO quando se descobriu que nem sempre os genes codificam 1 enzima como tal, e que existem enzimas que contém mais de uma cadeia polipeptídica, reguladas por genes diferentes.
Figura 1
Figura 2
Figura 2
Figura 3
Figura 4