Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
1 Genética Aplicada à Atividade Motora – Paraíso Manhã - 1° semestre de 2020 Exercícios sobre Mutações e Polimorfismos (Texto: Cunha, T.F., 2012) Orientações: Leia todo o texto abaixo e responda às perguntas que seguem abaixo dele! 1. REPARO DO DNA E MUTAÇÃO A Polimerase III adiciona nucleotídeos à fita filha por pareamento dos nucleotídeos correspondentes à fita molde. Quando é pareado um nucleotídeo errado ao nucleotídeo da fita molde, por exemplo, C com T, a polimerase remove o nucleotídeo incorretamente adicionado. Essa ação da polimerase é denominada de mecanismo autocorretor, o qual permite a Polimerase III conferir o último nucleotídeo adicionado, corrigindo seus próprios erros, à medida que se move ao longo do DNA molde1. Esse mecanismo é importante, pois durante a replicação, a Polimerase III apresenta alta taxa de erros (1 em cada 10 mil nucleotídeos), ou seja, adiciona nucleotídeos errados à nova fita; porém, devido ao mecanismo de autocorreção, a taxa de erros da polimerase é reduzida drasticamente (1 em cada 10 milhões). O mecanismo de reparo do DNA é, portanto, bastante eficiente, garantindo a manutenção da estabilidade genética no decorrer das gerações. Contudo, em alguns casos, o erro na adição do nucleotídeo não é corrigido ou acontecem outras alterações no decorrer da vida da célula, tais como, exposição à radiação ultravioleta, acarretando mutações. As mutações são, então, alterações na sequência de DNA que podem acarretar prejuízos e, de forma mais rara, benefícios ao organismo. As mutações podem ser classificadas considerando sua natureza e seu tipo. Quanto à natureza, as mutações podem ser classificadas em: § Erros de incorporação de nucleotídeos. Exemplo: Trocar uma A com T, por A com G; § Modificação química dos nucleotídeos. Exemplo: Perda de bases. § Agentes de mutação. Exemplo: Radiação UV e ionizante. Quanto ao tipo, as mutações podem ser classificadas em: 2 § Espontâneas. Erros da polimerase ou modificações químicas. § Induzidas. Radiações, substâncias químicas. Essas alterações podem ocorrer nas: § Células Somáticas. ü Afeta apenas o indivíduo com a mutação, mas não é transmitida às gerações futuras; ü Maior causa de câncer. § Células Germinativas (X e Y). ü São transmitidas às gerações futuras; ü Maioria das mutações são deletérias e tendem a ser eliminadas pela seleção natural; ü Mutações benéficas são raras, porém são a fonte primária de variabilidade entre as espécies e evolução dos organismos.2 Dentre as mutações benéficas destacam-se os polimorfismos, os quais parecem estar relacionados à melhora no desempenho de atletas de diferentes modalidades esportivas. Os polimorfismos serão abordados em detalhes no item 5. As mutações podem, ainda, estar relacionadas à sequências de aminoácidos e/ou funções de proteínas, os quais se relacionam ao Código Genético e tradução. 2. CÓDIGO GENÉTICO, MUTAÇÃO E TRADUÇÃO Antes de abordamos o processo de tradução é preciso entender como a sequência de bases do RNA é lida e compreendida para a formação da cadeia de aminoácidos e, consequentemente, da proteína. Essas respostas estão contidas no código genético, que foi decifrado após um longo período de muito estudo e experimentos. O código genético é um conjunto de regras que dirige a relação entre a sequência de nucleotídeos no DNA e a sequência de aminoácidos em uma proteína3. Essa informação permite a célula converter sequências de bases do DNA em proteínas. Porém, a grande questão se referia a forma como esse código era interpretado; em como os 20 aminoácidos eram representados a partir dos nucleotídeos conhecidos, A, T (U), C e G. 3 Sabendo que existiam 20 aminoácidos e 4 nucleotídeos diferentes, foi sugerida a combinação entre esses elementos para a formação de palavras que fossem compreendidas no processo de tradução. Se as palavras fossem compostas por apenas um nucleotídeo, teríamos um total de 4 aminoácidos; o que não corresponderia a realidade, já que existem 20 aminoácidos. Se fossem combinados 2 nucleotídeos, seriam formados 8 aminoácidos. Já se fossem utilizados 3 nucleotídeos para formar cada palavra, teríamos 64 combinações diferentes para 20 aminoácidos. Se os 4 nucleotídeos fossem combinados, seriam formadas 256 palavras diferentes para abranger os 20 aminoácidos. Como os sistemas celulares são econômicos, a hipótese de combinações formadas por 4 bases seria improvável. Dessa forma, o código formado por trincas (3 bases ou 3 nucleotídeos) seria o mais plausível. Mas ainda restavam algumas questões: como essas palavras eram lidas e o que significavam? Para responder a essas questões, Crick e Brenner (1961) se concentraram, inicialmente, na forma como o código em trincas (códon) era lido. Para isso utilizaram mutações de inserção e deleção para comprovar que o código era composto por trincas e lido da esquerda para a direita. Para facilitar a compreensão, abaixo seguem exemplos dos efeitos de inserção e supressão de letras em frases em inglês. THE FAT CAT ATE THE BIG RAT Se deletamos a C de CAT, podemos observar que o restante da frase após a retirada de C fica totalmente alterada. THE FAT ATA TET HEB IGR AT Se, agora, fizermos uma inserção de uma A no lugar onde foi deletada a C, teremos apenas a palavra CAT alterada e o restante da frase apresentará seu sentido restabelecido. THE FAT AAT ATE THE BIG RAT Tanto a inserção, quanto a deleção sozinhas alteram o sentido da frase. No entanto, quando as duas acontecem em um mesmo ponto, uma pode suprimir o efeito da outra. Como verificado com as palavras, alterações nas trincas ou códons de nucleotídeos podem acarretar erro na leitura do aminoácido e assim prejudicar a formação da proteína. 4 Esses experimentos em conjunto com outros experimentos utilizando mutantes contendo 3 mutações dos tipos inserção ou deleção confirmaram a natureza do código em trincas e sua forma de leitura, da esquerda para a direita. Porém, mais uma vez, restava a pergunta relacionada ao significado de cada códon. Experimentos mais complexos demonstraram que cada códon corresponde a apenas um aminoácido, que quase todos os aminoácidos têm mais de um códon e, por isso, o código pode ser considerado como degenerado. Foi verificado também que 3 códons não codificam para aminoácidos e, que estes tem um papel de término da tradução (códons de parada). Além disso, observou-se que aminoácidos com mais de um códon apresentam, geralmente, as duas primeiras bases iguais para os diferentes códons, variando a terceira base e que códons semelhantes costumam especificar aminoácidos semelhantes (Figura 1). O entendimento do código genético foi fundamental para o avanço da genética e para a compreensão dos mecanismos de tradução. Como os códons que formam o código genético são compostos por sequências transcritas do DNA, eles também estão vulneráveis a ação das alterações no DNA. Muitas das mutações que ocorrem na sequência de nucleotídeos (DNA) não afetam a função da proteína, pois acontecem em regiões não codificantes (íntrons); mas quando acontecem em regiões que codificam para proteínas, as mutações podem acarretar prejuízos em sua estrutura e/ou função. Figura 1. O Código Genético. 5 Existem diversos tipos de mutações que podem acarretar alterações na leitura dos códons. a mutação sinônima é uma mutação silenciosa, onde o códon mutado codifica para o mesmo aminoácido que o códon não mutado. por exemplo: § CCC codifica para prolina; § A troca da 3ª base C para G (CCG) continua codificando prolina; § Assim, a mutação silenciosa não altera a função da proteína, pois continua codificando para o mesmo aminoácido. Já na mutação não sinônima o códon alterado especifica para um aminoácido diferente. por exemplo: §CUU codifica para leucina; § A troca da 2ª base U para A, ou seja, CAU passa a codificar outro aminoácido, a histidina; § Com essa alteração a proteína pode apresentar perda de função; isto dependerá da região afetada (codificante ou não codificante). Outro tipo de mutação é a mutação sem sentido. Neste caso, a alteração no códon acarreta a troca de um códon que especifica um aminoácido, por um códon de parada. Como no exemplo: § UUU AGU UAU UGU (phe, ser, tyr, cys); § UUU AGU UAG (códon de parada); § Essa troca produz uma proteína menor e, geralmente, não funcional. A mutação pode, ainda, ser decorrente da troca de um códon de parada por um aminoácido. Veja o exemplo: § AAA GCU CUA UGA (lys, ala, leu, parada); § AAA GCU CUA UGG (lys, ala, leu, trp); § Aumenta o tamanho da proteína e pode alterar sua função dependendo do número de aminoácidos adicionados (pode desencadear uma alteração na estrutura da proteína). Essas diferentes mutações podem ou não acarretar perda de função. A perda de função está relacionada a alterações em regiões reguladoras; a expressão de um gene que, normalmente, não se expressaria naquele tecido; ou a produção de uma 6 proteína com funções distintas da proteína original. Há também mutações que geram ganho na função de determinada proteína. São situações mais raras, mas que estão relacionadas à quantidade de genes mutados: geralmente essa mutação ocorre em um gene recessivo e, para se expressar, os dois devem estar mutados. Pode acontecer em genes dominantes, dessa forma, a alteração na sequência de bases de apenas um gene (dominante) pode acarretar ganho na função da proteína. Com o código genético decifrado e o conhecimento das mutações que podem acarretar alterações na proteína, já é possível entender os mecanismo envolvidos na tradução. A tradução está relacionada à ação de dois diferentes RNAs: o RNA transportador (RNAt) e o RNA ribossômico (RNAr). O RNAt é uma molécula adaptadora, que se liga a seu aminoácido, sendo que cada aminoácido possui um RNAt específico. Ele carrega uma trinca de nucleotídeos, o anticódon, para se parear com o códon do RNA mensageiro do ribossomo. O RNAr, por sua vez, constitui os ribossomos (que também são compostos por proteínas). O ribossomo é formado por uma subunidade maior (60S) e uma menor (40S), que se unem (formando o ribossomo 80S) na síntese de proteínas. O RNA mensageiro e o RNAt se posicionam na subunidade menor do ribossomo. O códon do RNA mensageiro pareia com o anticódon do RNAt, quando esses são complementares e, assim, especificam um aminoácido. Porém, o início da tradução só ocorre com a identificação do códon de iniciação, a metionina (met), que desencadeia a união das subunidades menor e maior do ribossomo. Iniciada a tradução, o RNA mensageiro funciona como um roteiro para a construção da cadeia de aminoácidos: RNAt carregando um aminoácido pareia com o RNA mensageiro e determina o próximo aminoácido a ser adicionada à cadeia (Figura 2). A tradução termina quando é adicionado um códon de parada a sequência de aminoácidos da proteína4. 7 Figura 2. Processo de tradução das proteínas. Apresentada a tradução, o processo de transmissão da informação é concluído. Porém, outras modificações acontecem após a tradução e essas modificações também podem interferir na função da proteína. Aqui não serão discutidas essas modificações, mas com o conhecimento dos processos de replicação, transcrição e tradução é possível entender como a genética pode interferir nos esporte e, consequentemente, no desempenho dos atletas. 3. POLIMORFISMOS Durante muito tempo se acreditou que o resultado do desempenho de atletas estaria associado a um treinamento físico e nutrição adequados. Nas últimas décadas, estudos5,6 têm demonstrado que esses fatores seriam insuficientes para justificar o desempenho esportivo e que este estaria relacionado a uma predisposição genética. A predisposição genética, por sua vez, seria outro fator importante para o esporte. Diante desse quadro compreende-se, então, que mudanças na sequência de DNA poderiam alterar a expressão e/ou a atividade de uma proteína. Dessa forma, qual seria o papel dos polimorfismos? Polimorfismos são alterações da sequência do DNA que modificam a função ou a expressão de uma proteína, ocorrendo com uma frequência igual ou superior a 1% da população7. Os polimorfismos parecem estar relacionados à variabilidade das respostas mecânicas e biológicas, que afetam o desempenho de atletas dependendo da característica predominante da modalidade esportiva (aeróbica, anaeróbica, força). 8 Além disso, os polimorfismos possibilitariam o rastreamento dos “genes candidatos” ao aumento do rendimento esportivo. Existem cerca de 170 seqüências variantes de genes e de marcadores genéticos, que se relacionam ao desempenho físico e a saúde. A descoberta desses polimorfismos poderia auxiliar na identificação de novos talentos esportivos. Alguns dos principais polimorfismos associados ao rendimento esportivo são: o da enzima conversora de angiotensina, AMP deaminase, creatina quinase e F- actinina. 3.1. Enzima Conversora de Angiotensina A enzima conversora de angiotensina (ECA) é a enzima que regula o sistema renina angiotensina-aldosterona (SRAA). Esse sistema auxilia no controle da homeostase (equilíbrio) cardiovascular e renal, sendo que a ECA converte angiotensina I em angiotensina II. Neste tópico não trataremos do papel da aldosterona no sistema. A angiotensina II é responsável pelos principais efeitos fisiológicos associados à ação do SRAA, tais como: vasoconstrição, crescimento celular, retenção hídrica e ativação simpática. O polimorfismo relacionado à ECA refere-se a uma inserção ou deleção de 287 pares de bases na sequência do DNA humano. A inserção desses pares de bases promove menor produção de ECA, reduzindo a atividade do SRAA. Já a deleção aumenta a produção de ECA e a atividade do SRAA. Quando associamos esses polimorfismos ao treinamento físico, verificamos diferentes respostas, as quais dependem do tipo de treinamento físico realizado e do tipo de polimorfismo da ECA, inserção ou deleção. No caso do treinamento físico aeróbico, quando o indivíduo apresenta o polimorfismo de inserção verifica-se melhora da resposta cardiopulmonar como observado em cardiopatas tratados com inibidores da ECA. Um estudo com remadores e corredores de elite8 também mostrou uma melhora no rendimento dos atletas com esse polimorfismo de inserção. Essa melhora da capacidade aeróbica associada ao treinamento físico aeróbico e ao polimorfismo de inserção poderia ser resultado do aumento de substratos energéticos, melhora do débito cardíaco, da capilarização, do estoque de ácidos graxos intramuscular, mudança no tipo de fibra muscular, densidade mitocondrial9. Porém, não se sabe se o polimorfismo aumenta a 9 porcentagem de fibras do tipo I, predispondo a essas adaptações ou se o treinamento físico aeróbico regula a expressão da fibra do tipo I em indivíduos com o polimorfismo. Além disso, essas alterações foram observadas apenas em indivíduos altamente treinados, mostrando a possível influência do treinamento físico nessa resposta da capacidade aeróbica. De acordo com essa perspectiva, o fator genético contribuiria para o aumento do desempenho esportivo de atletas, mas não desencadearia tais respostas sem o estímulo do treinamento físico. A deleção dos 287 pares de bases estaria associada ao desempenho no treinamento de força, desencadeando aumento da força isométrica e favorecendo a hipertrofia muscular. O aumento da atividade da ECA (como se observa no polimorfismo de deleção) e consequentemente, da expressão de angiotensina II acarretam crescimento celular desencadeando, no coração, hipertrofia cardíaca.Em cardiopatas, por exemplo, é observada uma hipertrofia cardíaca patológica associada ao aumento da ECA; já com o treinamento físico aeróbico verifica-se uma hipertrofia fisiológica. Com o treinamento de força não se tem muitos dados mostrando a relação entre hipertrofia cardíaca e alterações na atividade da ECA. Em modelo experimental de ratos que realizavam treinamento de força (agachamento), não se observou alteração na atividade dessa enzima10. Portanto, o que se pode observar por meio da relação entre polimorfismos e tipos de treinamento físico é que o fator ambiental (treinamento físico) otimiza as respostas fisiológicas; que o polimorfismo de inserção (redução na atividade da ECA) relaciona-se às adaptações do treinamento aeróbico; e que o polimorfismo de deleção está associado às adaptações do treinamento de força. 3.2. AMP deaminase A AMP deaminase é uma enzima que é ativada para minimizar o acúmulo de ADP na célula, como acontece durante atividades metabólicas intensas do músculo esquelético. Provas de curta duração e alta intensidade causam uma necessidade de reposição eficaz de ATP intracelular que é utilizado para gerar energia na célula. Isso acontece, pois durante essas provas ou atividades de características semelhantes, 40% do ATP do músculo esquelético pode ser depletado, gerando acúmulo de ADP e fadiga muscular11. 10 A AMP deaminase é codificada pelo gene AMPD1 e está presente, principalmente, nas fibras do tipo II. O polimorfismo dessa enzima corresponde a uma mutação sem sentido: troca de uma glutamina por um códon de parada. Esse polimorfismo causa redução da atividade da AMP deaminase, acarretando acúmulo de ADP, o qual prejudica o desempenho durante o exercício físico, atividade física ou competição por acarretar câimbras, dores e fadiga prematura11. Diferente dos polimorfismos da ECA, o polimorfismo da AMP deaminase reduz o rendimento esportivo, mostrando que a predisposição genética pode tanto melhorar quanto piorar as respostas ao treinamento físico. 3.3. Creatina Quinase A creatina quinase (CK) é uma enzima que, junto à creatina fosfato, atua no tamponamento metabólico em células com variação da demanda energética, como ocorre em atividades físicas intensas. A alta concentração de creatina fosfato e a alta atividade da CK em atividades intensas buscam aumentar a eficiência do tamponamento do acúmulo de ADP para manter a relação ATP/ADP durante esse tipo de atividade para evitar a fadiga. Existem três isoformas de CK: a CK-M (creatina quinase muscular), a qual é mais expressa em fibras do tipo II e atua em atividades anaeróbicas; a CK-B (brain), que é encontrada no músculo cardíaco e a CK-MB, que se relaciona ao aumento da capacidade oxidativa pelo aumento de citrato sintase no músculo cardíaco e nas fibras do tipo I do músculo esquelético11. A CK-MB pode, dessa forma, influenciar o desempenho em atividades aeróbicas de longa duração por aumentar o VO2máx e, assim, melhorar a capacidade aeróbica. O polimorfismo da CK-M deixa-a parecida com a CK-MB. Dessa forma, a CK-M que tem o polimorfismo passa a desencadear uma melhora da capacidade aeróbica por aumentar o VO2máx, assemelhando-se a ação da CK-MB (mais oxidativa). Portanto, o polimorfismo da CK altera o perfil de atuação da enzima favorecendo o metabolismo aeróbico. 3.4. α- Actinina A α-actinina é um componente da linha Z do sarcômero (proteína estrutural), que realiza ancoramento dos miofilamentos de actina e manutenção do arranjo miofibrilar. 11 Existem 4 genes que codificam para a α-actinina (ACTN1, 2, 3 e 4), sendo que ACTN2 e 3 estão localizadas no músculo esquelético. A ACTN3 é a isoforma de α- actinina específica das fibras do tipo II11. O polimorfismo de α-actinina ocorre na isoforma ACTN3 e consiste em uma mutação sem sentido: a troca de uma arginina por um códon de parada. Essa mutação causa ausência de ACTN3 nos indivíduos homozigotos para essa isoforma (o indivíduo apresenta as duas cópias do gene de ACTN3). Apesar da ausência dessa isoforma, os indivíduos que tem esse polimorfismo não apresentam um fenótipo patológico, como ocorre, por exemplo, na distrofia muscular. Isso porque a ausência de ACTN3 parece ser compensada pela outra isoforma presente no músculo esquelético, a ACTN211. Quanto ao desempenho esportivo, a presença de ACTN3 estaria relacionada a um melhor desempenho em provas de velocidade e força; já a ausência de ACTN3 estaria relacionada à melhora no desempenho em provas de resistência. Além de seu papel como proteína de ancoramento, a α-actinina atua no metabolismo e na geração de força muscular. 4. REFERÊNCIAS 1. Replicação, Mutação e Reparo do DNA. Texto II. Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo. 2. Transcrição Gênica. Texto III. Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo. 3. Código Genético. Texto I. Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo. 4. Krebs, J.E.; Goldstein, E.S.; Kilpatrick, S.T. Translation. In: Lewin’s Genes X. 2011. 5. Myerson, S.; Hemingway, H.; Budget, R.; Martin, J.; Humphries, S.; Montgomery, H. Human angiotensina 1-converting enzyme gene and endurance performance. J. Appl. Physiol. v.87, n.4, p.1313-16, 1999. 6. Woods, D.; Hickman, M.; Jamshidi, Y.; Brull, D.; Vassiliou.; Jones, A.; Humphries, S.; Montgomery, H. Elite swimmers and allele of the ACE I/D polymorphism. Hum. Genet. v.108, p.230-2, 2001. 7. Housman, D. Molecular Medicine, Human DNA polymorphism. N Engl J Med. v.2, p.318-20, 1995. 12 8. Gayagay, G.; Yu, B.; Hambly, B.; Trent, R. Elite endurance athletes and the ace allele – the role of gene in athletic performance. Hum. Genet. v.103, p.48-50, 1998. 9. Montgomery, H.; Marshall, R.; Humphries, S.E. Human gene for physical performance. Nature. v.393, p.221-2, 1998. 10. Barauna, V.G.; Magalhães, F.C.; Krieger, J.E. Oliveira EM. AT1 receptor participates in the cardiac hypertrophy induced by resistance training in rats. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. v.295, n.2, p.381-7, 2008. 11. Dias, R.G.; Pereira, A.C; Negrão, C.E.; Krieger, J.E. Polimorfismos genéticos determinantes da performance física em atletas de elite. Rev Bras Med Esporte. v.13, n.3, 2007. 5. EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 1) A Polimerase III apresenta uma alta taxa de erros durante a replicação do DNA, adicionando 1 nucleotídeo errado a cada 10.000 nucleotídeos pareados à nova fita. Contudo, devido ao mecanismo de autocorreção, a taxa de erros da Polimerase III é reduzida drasticamente. Nesse sentido, explique como funciona o mecanismo de autocorreção da Polimerase III. 2) As mutações são alterações na sequência de DNA que podem acarretar prejuízos e, de forma mais rara, benefícios ao organismo. Considerando as mutações maléficas, onde elas poderiam causar mais prejuízos, nas células somáticas ou nas germinativas? Explique. 3) O código genético é um conjunto de regras que dirige a relação entre a sequência de nucleotídeos no DNA e a sequência de aminoácidos em uma proteína. Dessa forma, explique como descobriu-se que os códons para cada aminoácido eram compostos por 3 bases ou nucleotídeos (trincas). 4) O código genético é considerado degenerado. Explique porque o código genético é classificado dessa maneira. 13 5) Existem diferentes tipos de mutações nos códons que codificam para aminoácidos, podendo ou não acarretar perda de função da proteína. Nesse sentido, explique o que são as mutações: sinônima, não sinônima, mutação sem sentido e troca de um códon de parada por um aminoácido. Aponte para cada tipo de mutação, se ela pode ou não acarretar perda de função da proteína. 6) Mutações benéficas são raras, mas podem ocorrer, trazendo para o esporte, por exemplo, um aumento do desempenho do atleta. Essas mutações são chamadas de polimorfismos. Dessa forma, o que são polimorfismos?7) O polimorfismo da Enzima Conversora de Angiotensina (ECA) foi o primeiro polimorfismo relacionado ao desempenho físico que foi descoberto. Nesse sentido, explique o que os polimorfismos de inserção e deleção podem promover ao desempenho esportivo de atletas com esses polimorfismos. 8) Existem diversos tipos de polimorfismos, até mesmo aqueles que prejudicam o desempenho em certas modalidades esportivas. Dessa forma, explique de forma objetiva os polimorfismos: A. da AMP deaminase. B. da Creatina Quinase. C. da α- Actinina.
Compartilhar