Estrutura do DNA, Replicação, Transcrição, Tradução e Mutação

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Genética
Estrutura do DNA, Replicação, Transcrição, Tradução e Mutação
Estrutura do DNA
O DNA (ácido desoxirribonucléico) é a molécula que carrega todas as informações do organismo. É um polímero de nucleotídeos unidos por ligação fosfodiéster 3’-5’ (entre a hidroxila ligada ao carbono 3’ e o grupo fosfato ligado ao carbono 5’). 
Está localizado no núcleo (DNA nuclear ou genômico) e nas mitocôndrias (DNA mitocondrial). Os DNAs nuclear e mitocondrial são diferentes entre si, sendo que o último apresenta menor sistema de reparo, portanto, sofre mais mutações. O DNA nuclear pode ser encontrado em todas as células nucleadas; como as hemácias são anucleadas, não está presente nas mesmas.
O DNA apresenta estrutura de dupla-hélice. É constituído por duas cadeias intercaladas de nucleotídeos. Cada nucleotídeo é composto por uma base nitrogenada, uma pentose (no caso do DNA, a desoxirribose) e um grupo fosfato. A base nitrogenada liga-se ao carbono 1’ (carbono 1 da pentose), a hidroxila ao carbono 3’ e o grupo fosfato ao carbono 5’.
OBS.: O sentido de crescimento do DNA é sempre de 5’ para 3’, pois a DNA polimerase, enzima responsável pela síntese do DNA, só consegue trabalhar nesse sentido.
Bases Nitrogenadas:
Purinas (2 anéis) = Adenina e Guanina
Pirimidinas (1 anel) = Timina, Citosina e Uracila
OBS.: A uracila está presente apenas na estrutura do RNA e a timina apenas na estrutura do DNA.
O que mantém as duas fitas polinucleotídicas ligadas entre si são pontes de hidrogênio estabelecidas entre bases nitrogenadas complementares. Assim, formam-se duas pontes de hidrogênio entre a timina e a adenina e três pontes entre a citosina e a guanina. Essa diferença entre o número de pontes estabelecidas entre as diferentes bases é importante no estabelecimento da temperatura de desnaturação. Quanto maior o número de ligações de hidrogênio, maior a energia necessária para a separação das fitas, portanto, quanto mais pares citosina-guanina, maior a temperatura necessária para a desnaturação.
Na dupla-hélice do DNA, as duas fitas são antiparalelas, ou seja, encontram-se em direções opostas: uma tem sentido 5’-3’ e a outra tem sentido 3’-5’.
Características do Material Genético
- O material genético deve conter toda a informação complexa (informação para síntese de RNA e para síntese protéica)
- O material genético deve se replicar fielmente (ou seja, deve se duplicar sem sofrer grandes variações)
- O material genético deve codificar o fenótipo (deve levar à expressão de determinadas características)
OBS.: As mutações não devem ser tão freqüentes e tão drásticas a ponto de prejudicar o organismo. Porém, algumas pequenas mutações podem ser benéficas.
Funções do Material Genético
- Replicação (estoca e transmite informações)
- Expressão Gênica (controla o fenótipo)
- Mutação (sofre transformações a fim de se adaptar a modificações ambientais)
Replicação
Replicação é a auto-duplicação do material genético, que mantém o padrão de herança ao longo das gerações. Para que a replicação se inicie, primeiramente é necessário que o DNA se descompacte e que suas fitas se separem.
O processo de abertura (separação) das fitas é conhecido como Bolha (ou forquilha) de Replicação. Nesse processo, as fitas se separam em um único sentido (como a abertura de um zíper).
A replicação se inicia em vários pontos simultaneamente (várias origens de replicação), o que contribui para o aumento da velocidade desse processo.
Etapas da Replicação:
- Fitas de DNA desenrolam e separam, formando as forquilhas de replicação
- Moléculas de DNA parental servem de molde para a síntese das fitas filhas
- Síntese da nova fita
- Cada nova molécula de DNA consiste em um filamento parental e um filho (a replicação é um processo semiconservativo) 
Enzimas Envolvidas:
DNA-helicase: separa as fitas de DNA
DNA-polimerase: contribui para o aumento da fita no sentido 5’-3’, isso porque age na hidroxila da extremidade 3’ livre, adicionando nucleotídeos
Atenção! As duas fitas são replicadas por caminhos diferentes. A fita com sentido 3’-5’ é chamada descontínua, pois sua síntese requer os chamados fragmentos de Okasaki. Já a fita com sentido 5’-3’ é chamada contínua e sua síntese ocorre de forma mais rápida.
Fragmento de Okazaki = primer de RNA + fragmento de DNA
A enzima DNA-primase adiciona os primers de RNA, a DNA-polimerase III adiciona os nucleotídeos, formando, assim, os fragmentos de Okasaki. A DNA-polimerase I é uma exonuclease que remove os fragmentos de RNA. Por fim, a DNA-ligase atua ligando covalentemente os nucleotídeos entre si.
Dogma Central
OBS.: A replicação e a transcrição reversa foram adicionadas ao dogma central após a sua criação.
Transcrição
A transcrição é a síntese de RNA a partir de DNA.
O RNA difere do DNA por apresentar a pentose ribose em vez da desoxirribose, por apresentar a base pirimídica uracila em vez de timina e também por apresentar fita simples em vez de dupla.
Na transcrição, um filamento de DNA é usado como molde para a produção de um transcrito primário, que, após processamento, forma o RNAm. A transcrição também ocorre no sentido 5’-3’. 
OBS.: O filamento de DNA que não é utilizado para o pareamento das bases do RNA é chamado codificador, pois corresponde em polaridade e em seqüência de bases (exceto pela troca de T por U) ao RNA formado.
Enzimas:
RNA-polimerase: é responsável pelo pareamento das bases complementares
Atenção! Existem três tipos de RNA
RNA mensageiro: leva informação do núcleo para o citoplasma, contém a informação necessária para a síntese protéica
RNA transportador: são pequenas moléculas de RNA que funcionam como adaptadores entre os aminoácidos e os códons do RNAm durante a tradução; transporta os aminoácidos até o local da síntese protéica
RNA ribossômico: é componente estrutural e catalítico dos ribossomos; auxilia o ribossomo na síntese protéica
Durante a transcrição, a RNA-polimerase se liga a regiões específicas do DNA (região promotora). A Bolha de Transcrição é formada (as fitas de DNA se separam) Apenas um filamento de DNA é usado como molde (aquele cujo sentido é 3’-5’). 
OBS.: Há fatores de transcrição (proteínas) que se ligam à região promotora. Além disso, existe o chamado “TATA” box, uma seqüência de adeninas e timinas cerca de 25 a 35 pares de bases antes do início da região promotora. Tanto os fatores de transcrição quanto o TATA box permitem que a RNA polimerase encontre a região promotora e inicie a síntese de RNA no local adequado.
Processamento Pós-Transcrição
É o processo pelo qual o transcrito primário sofre modificações para originar o RNAm maduro. Ocorre no núcleo e envolve três etapas.
- Adição de 7-metilguanosina às pontas 5’ do transcrito primário (metilação)
- Adição de uma cauda poli-A à extremidade 3’ (o que garante maior estabilidade ao RNAm)
- “Splicing” (forma-se uma alça chamada spliceossomo e ocorre remoção das regiões correspondentes aos íntrons no RNAm) 
Atenção! Até 1970, o gene era visto como um segmento de DNA que contém o código para a seqüência de aminoácidos de uma proteína. Hoje, já é sabido que pouquíssimos genes são seqüências codificadoras contínuas. A grande maioria é interrompida por uma ou mais regiões não codificadoras (íntrons), que se alternam com seqüências codificadoras (éxons). Os íntrons são inicialmente transcritos no núcleo, mas retirados durante o splicing. Assim, como não estão presentes no RNAm maduro no citoplasma, não são representados no produto protéico final.
Resumindo:
- Um gene engloba éxons, íntrons, regiões promotoras e regiões reguladoras
- Éxons (expressed regions) são segmentos do gene que correspondem a seqüência do RNA e da proteína
- Íntrons (inexpressed regions) são segmentos não codificantes, ou seja, são seqüências de DNA que não levam à tradução de proteínas. Assim, mutações nessas regiões não provocam alterações fenotípicas.
OBS.: Osíntrons são muito variáveis em tamanho e número de gene para gene e de indivíduo para indivíduo.
Tradução
É a formação de polipeptídeos através do RNAm.
Inicialmente, o RNAm é transportado para o citoplasma. A tradução ocorre nos ribossomos, que são organelas citoplasmáticas com sítios de ligação para todas as moléculas envolvidas na síntese de proteínas, incluindo o RNAm. 
OBS.: Os ribossomos são compostos macromoleculares constituídos por várias proteínas associadas a RNAr.
O RNAm passa através do ribossomo e sua seqüência de códons (cada 3 pares de bases) é lida. À medida que isso ocorre, o RNAt transporta o aminoácido correspondente ao códon para o local da síntese a fim de que ele seja ligado (por meio de ligação peptídica) ao local correto.
Pode-se ver, assim, que o RNAt fornece o elo molecular entre a seqüência de bases codificada do RNAm e a seqüência de aminoácidos da proteína. Ele apresenta um anticódon (três bases) complementar a um determinado códon do RNAm. É justamente essa complementaridade que garante que o aminoácido correto seja ligado ao local adequado. 
Atenção! O código genético relaciona os aminoácidos com os códons do RNAm.
São 64 as possíveis combinações de três bases, ou seja, existem 64 códons diferentes. Dentre estes, três (UAA, UAG, UGA) são códons sem sentido (ou de parada), que levam à interrupção da tradução. Assim, 61 códons são traduzidos, mas existem apenas 20 aminoácidos diferentes na composição das nossas proteínas. Isso ocorre porque o código genético é degenerado, ou seja, um mesmo aminoácido é codificado por mais de um códon. O código genético é também universal (a correspondência códon-aminoácido é a mesma para todas as espécies).
OBS.: Um códon dos 64 existentes é o chamado códon de iniciação, que inicia a síntese da proteína e estabelece, portanto, a matriz de leitura. Esse códon geralmente codifica a metionina, que, geralmente, é removida antes da síntese protéica se completar.
Mutações
Mutações são quaisquer alterações permanentes do DNA. São mudanças herdáveis* na seqüência do DNA. São essenciais ao estudo de genética e são úteis em muitos outros campos da biologia.
*As mutações podem ocorrem em células somáticas ou em células da linhagem germinativa. Se ocorrer nas primeiras, as células filhas herdam a mutação, mas a prole não. Se ocorrer nas segundas, a prole herda a mutação.
OBS.: O acidente de Chernobyl e as bombas atômicas explodidas ao final da 2ª GM auxiliaram no estudo das mutações, pois a radiação é um fator mutagênico.
As mutações têm pontos positivos (leva à variabilidade e permite adaptação às modificações do ambiente) e pontos negativos (pode levar a distúrbios e a doenças, como o câncer).
As mutações podem ser gênicas, quando afetam um único gene; ou cromossômicas, quando afetam o número ou a estrutura dos cromossomos, atingindo, portanto, vários genes.
Tipos de Mutações Gênicas:
Substituição de Bases: alteração de um único nucleotídeo. Pode ser do tipo transição, quando uma purina é substituída por outra purina ou quando uma pirimidina é substituída por outra pirimidina; ou pode ser do tipo transversão, quando uma purina é substituída por uma pirimidina ou vice-versa.
Inserções e Deleções: são as mutações mais freqüentes; constituem na adição ou remoção de nucleotídeos. As inserções ou deleções que consistem em múltiplos de três deixam a matriz de leitura intacta. Já as que não consistem em múltiplos de três modificam a matriz de leitura.
OBS.: Uma mutação que altera a matriz de leitura é chamada de “in frame”
Expansão de Repetições de Trinucleotídeos: cópias de trinucleotídeos aumentam muito em número. Exemplos de condições causadas por mutações desse tipo são: distrofia miotônica, doença de Huntington, síndrome do X frágil e atrofia muscular espinhal e bulbar.
Mutação Direta: altera o fenótipo tipo selvagem
Mutação Reversa: altera o fenótipo mutante de volta ao tipo selvagem
Mutação em sentido trocado: substituição de bases que altera o códon do RNAm, levando à inserção de um aminoácido diferente na proteína
Mutação sem sentido: substituição de códon com sentido (códon que traduz aminoácido) por códon sem sentido (códon de parada), levando, assim, à interrupção da tradução
Mutação silenciosa: altera o códon mas não o aminoácido, devido ao caráter degenerado do código genético
Mutação neutra: altera o aminoácido, mas por um aminoácido do mesmo grupo, o que não gera efeito fenotípico grave, ou seja, não leva à alteração da função da proteína.
Mutação de perda de função: causa ausência completa ou parcial do funcionamento normal da proteína.
Mutação com ganho de função: ocorre quando uma característica aparece em tecido impróprio ou em momentos impróprios do desenvolvimento
OBS.: Quanto maior o gene, maior a sua taxa de mutação. Hot spots são seqüências ricas em citosina e guanina, onde há elevada taxa de mutação.
Reparo do DNA
Os mecanismos de reparo do DNA corrigem 99,9% das mutações. Consiste de enzimas de reparo, que reconhecem, removem e substituem uma base errada.
Erros no sistema de reparo levam a mutações nos genes.
Atenção! As mutações podem ser espontâneas ou induzidas (por radiações UV, raios gama, raios X ou agentes químicos como ácido nitroso, agente laranja e brometo de etídio)