Bases Moleculares da Vida - Bioquímica e Metabolismo

Bases Moleculares da Vida Profa Annielle Mendes Brito da Silva Profa Carolina Bertolotto 2 SUMÁRIO BLOCO 1 BIOQUÍMICA 3 BLOCO 2 METABOLISMO I 20 BLOCO 3 METABOLISMO II 34 BLOCO 4 ÁCIDOS NUCLEICOS 44 BLOCO 5 ÁCIDOS NUCLEICOS E SÍNTESE PROTEICA 61 BLOCO 6 TÉCNICAS DE BIOLOGIA MOLECULAR 77 3 BLOCO 1 BIOQUÍMICA Neste bloco abordaremos conceitos relacionados à Bioquímica a química da vida Esta matéria é de grande importância para o aluno pois está diretamente relacionada a diversos ramos da área biológica principalmente quando se trata da fisiologia animal e vegetal Ao finalizar os estudos deste bloco você deverá mostrarse com uma maior compreensão sobre os níveis organizacionais dos seres vivos com enfoque no nível molecular relacionando as principais biomoléculas com suas estruturas químicas funções propriedades e importância para os seres vivos 11 Bases da Bioquímica Os seres vivos apresentam uma organização muito complexa partindo de partículas muito pequenas e indivisíveis chamadas de átomos que se unem por meio de ligações para formar as moléculas Figura 1 A Bioquímica é a área da biologia que tem como objeto de estudo as moléculas que constituem os seres vivos Figura 1 Níveis organizacionais dos seres vivos Uma molécula pode ser classificada como inorgânica ou orgânica dependendo dos átomos que a constituem As moléculas inorgânicas são aquelas que não possuem o 4 elemento carbono C em sua composição e consequentemente as moléculas orgânicas são aquelas que se apresentam com o elemento carbono em sua composição Na composição bioquímica dos seres vivos podemos observar tanto moléculas orgânicas quanto inorgânicas Como exemplo de moléculas inorgânicas podemos citar os sais minerais que são microelementos com funções específicas de grande importância para o equilíbrio e manutenção das atividades celulares Figura 2 Como exemplo importante desses elementos podemos citar o magnésio Mg que funciona como cofator para a fotossíntese Figura 2 Exemplo de sais minerais encontrados nos seres vivos Uma molécula inorgânica de extrema importância para todos os seres vivos é a água sendo a mais abundante 75 a 85 quando se considera a composição dos tecidos A molécula de água é composta por dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio Figura 3 o que proporciona uma distribuição desigual de prótons e elétrons ao longo da molécula e permite a modelagem da molécula como um dipolo tem um polo positivo e um polo negativo Figura 3 Representação da molécula de água A alta polaridade das moléculas de água faz com que esta seja um ótimo solvente inorgânico chamada muitas vezes de solvente universal Mas a realidade é que a água se apresenta como um bom solvente apenas para soluções interativas ou seja para aquelas soluções onde os elementos se misturam devido à afinidade química entre eles Como exemplo podemos observar a Figura 4 onde o cloreto de sódio NaCl também conhecido como sal de cozinha dissolvese completamente em água Note que as moléculas de água agem como solvente interativo o polo positivo formado pelos hidrogênios H interage com o íon negativo cloreto Cl e o polo negativo formado pelo oxigênio O interage com o íon positivo sódio Na As moléculas de água interagem entre si e com os solutos presentes na solução por meio de ligações fracas chamadas de pontes de hidrogênio Figura 4 Interação entre as moléculas em uma solução de cloreto de sódio e água 5 6 As células são compartimentos que estão separando o meio intracelular do extracelular através de uma membrana plasmática A água e os sais minerais em conjunto encontramse dentro e fora das células compondo o líquido intracelular LIC e o líquido extracelular LEC A membrana plasmática permite trocas razoáveis entre LIC e LEC o que faz com que estes tenham características próprias sendo diferentes entre si Além da manutenção do equilíbrio entre os meios intra e extracelular os LIC e LEC funcionam como sistemas tampões Um sistema tampão quimicamente falando é aquele que resiste à mudança brusca de pH Quando trazemos esse conceito para um sistema biológico podemos notar que cada parte de um ser vivo apresenta composição e pH específicos Figura 5 Um tampão pode ser responsável pela estabilidade do organismo evitando que ele fique em estado muito ácido ou muito básico o que pode causar um desequilíbrio e consequentemente um quadro de doença e morte Na espécie humana o pH do sangue é mantido muito próximo de 74 sendo que os principais responsáveis pela manutenção desse valor de pH são as proteínas o tampão bicarbonato e o tampão fosfato Figura 5 Diferentes pH em diferentes componentes Adaptado de Shutterstock 7 Do total dos componentes da célula aproximadamente 80 correspondem à água 2 a 3 são sais minerais e o restante é formado por compostos orgânicos os quais representam as moléculas da vida As moléculas da vida chamadas de Biomoléculas são aquelas que fazem parte dos organismos vivos desempenhando funções específicas e importantes tanto no meio intracelular quanto no extracelular As biomoléculas podem variar de acordo com o seu tamanho e composição São moléculas orgânicas que além de átomos de carbono podem apresentar em sua composição átomos de hidrogênio H nitrogênio N oxigênio O fósforo P e enxofre S Como exemplo podemos citar a molécula de glicose Figura 6 cuja estrutura possui 6 átomos de carbono 12 átomos de hidrogênio e 6 átomos de oxigênio C6H12O6 Figura 6 Molécula de Glicose Algumas biomoléculas são pequenas assim como a molécula de glicose e sozinhas desempenham a sua função no organismo Porém outras biomoléculas apresentamse em tamanho aumentado sendo chamadas de macromoléculas Dessa forma precisamos entender o conceito de monômero e polímero para assim entendermos o que são e como são formadas as macromoléculas molécula grande 8 Primeiro vamos imaginar um grande muro depois vamos pensar que esse grande muro foi construído com pequenos tijolos Agora podemos pensar que esse muro é a nossa macromolécula é um polímero poli muitos Para construir essa macromolécula a natureza faz o uso de pequenos tijolos Esses tijolos são moléculas chamadas de monômeros mono apenas um Como exemplo mais prático vamos pensar na indústria de plástico Existe um tipo de plástico chamado de polietileno que é muito usado na capa de fios elétricos de construções e eletrodomésticos O polietileno nada mais é que um polímero onde há a repetição de vários monômeros de etileno Figura 7 e estes são ligados em cadeia formando um material rígido e com uma função determinada para a indústria Na formação de macromoléculas biológicas acontece o mesmo porém os polímeros podem ser formados de monômeros diferentes e as ligações não são necessariamente lineares Tabela 1 Figura 7 Polietileno é um polímero onde há a repetição de vários monômeros de etileno 9 Tabela 1 Lista de biomoléculas poliméricas e suas correspondentes monoméricas POLÍMERO MONÔMEROS POLISSACARÍDEO Carboidratos MONOSSACARÍDEOS PROTEÍNA AMINOÁCIDOS ÁCIDOS NUCLEICOS NUCLEOTÍDEOS As macromoléculas biológicas são formadas por meio de ligações fortes e interações fracas de forma linear ou não entre as moléculas monoméricas conferindolhes estrutura formato função e propriedades específicas 12 Carboidratos Os carboidratos também chamados de sacarídeos glicídeos oses ou açúcares são moléculas orgânicas compostas basicamente de carbono hidrogênio e oxigênio sendo representados pela fórmula geral CnH2nOn 121 Variam de açúcares simples contendo de três a nove átomos de carbono até polímeros muito complexos Os carboidratos mais importantes do ponto de vista energético são os monossacarídeos As hexoses são as principais moléculas representantes dos monossacarídeos Possuem essa denominação pois sua estrutura química é formada por seis carbonos Na Figura 6 podemos observar a estrutura da molécula de glicose que é uma das mais importantes hexoses sendo fundamental para a geração de energia nos organismos vivos Além da glicose podemos citar também a frutose e a galactose Figura 8 Na parte inferior da Figura 8 podemos ver três estruturas químicas maiores que são chamadas de dissacarídeos formados pela ligação de dois monossacarídeos Para formar carboidratos de maior tamanho e mais complexos como os dissacarídeos e polissacarídeos os monossacarídeos são unidos entre si por ligações glicosídicas A ligação glicosídica se faz entre duas hidroxilas OH de dois monossacarídeos vizinhos com a eliminação de uma molécula de água 10 Figura 8 Estrutura química dos principais monossacarídeos e dissacarídeos A Sacarose C12H22O11 é um dissacarídeo formado pela ligação entre molécula de glicose e uma molécula de frutose conhecido popularmente como açúcar de cana tendo grande importância para a agroindústria e para a indústria alimentícia Figura 9 Figura 9 Características químicas e estruturais da sacarose Adaptado de Shutterstock 11 Os monossacarídeos e dissacarídeos ligamse entre si formando carboidratos mais complexos chamados de polissacarídeos Como exemplos de polissacarídeos temos o glicogênio e a celulose O glicogênio é um grande polissacarídeo de glicose que funciona como reserva energética nos animais No ser humano o glicogênio encontra se acumulado no fígado e no músculo sendo utilizado para a geração de energia Nos vegetais a reserva de energia é feita na forma de amido um carboidrato polímero de glicose Podemos reparar que o glicogênio e o amido são polímeros de glicose porém existem características específicas que diferenciam os dois Em uma molécula de glicogênio aparecem dois tipos de ligação glicosídica ao mesmo tempo α14 e α16 Já em uma molécula de amido aparece apenas um tipo de ligação sendo a α16 encontrada na amilopectina a forma ramificada do amido e a ligação α14 é encontrada na amilose que é a forma linear Além da função de fonte e reserva energética para animais e vegetais os carboidratos também apresentam função estrutural A celulose é um carboidrato encontrado em vegetais que têm uma grande importância na sustentação e na formação da parede celular Figura 10 Na indústria a celulose encontrada nas árvores é utilizada na fabricação de papel Figura 10 A celulose forma fibras que se aglomeram para formar a estrutura da parede das células vegetais Adaptado de Shutterstock 12 13 Lipídios Os lipídios correspondem a todas as substâncias gordurosas existentes no reino animal e vegetal podendo ser óleos ceras graxas e gorduras Os lipídios são insolúveis em água e solúveis em solventes orgânicos e são de grande importância para a alimentação e organização das células constituindo as membranas biológicas As membranas biológicas são compostas de lipídios principalmente fosfolipídeos e colesterol que organizamse formando uma bicamada fluida e flexível que está presente na membrana plasmática que recobre as células e nas organelas intracelulares Os lipídios encontramse acumulados no tecido adiposo no interior dos adipócitos Figura 11 na forma de triacilgliceróis formando uma rica reserva de energia que é utilizada nos períodos em que se reduz o uso dos carboidratos como principal fonte energética A função de isolamento mecânico e térmico principalmente para os órgãos da cavidade abdominal também é atribuída ao tecido adiposo Figura 11 Estrutura de uma célula adiposa evidenciando o acúmulo de triacilglicerol como uma grande gota de gordura no meio do citoplasma Adaptado de Shutterstock O consumo diário de lipídios na dieta de um ser humano varia de 60 g a 150 g de modo que 90 são triglicerídeos e 10 é composto de colesterol ésteres de colesterol fosfolipídeos e ácidos graxos livres Os lipídios podem apresentarse de diferentes formas químicas e estruturais sendo basicamente ácidos graxos orgânicos 13 de cadeia longa com mais de 12 carbonos As cadeias carbônicas podem ser classificadas como saturada ou insaturada dependendo da ausência ou presença de ligações duplas respectivamente Gorduras de cadeias carbônicas insaturadas são mais fluidas e como podemos ver na Figura 12 os óleos e as chamadas gorduras boas estão classificadas como insaturadas As gorduras saturadas presentes na alimentação apresentamse com estruturas rígidas e sólidas Figura 12 As gorduras saturada e insaturada estão presentes nos alimentos Adaptado de Shutterstock 14 Aminoácidos e Proteínas Os aminoácidos são compostos orgânicos que apresentam em sua estrutura molecular um grupo funcional amino NH2 e uma carboxila terminal COOH podendo variar o radical R A variação do radical é que diferencia estruturalmente e funcionalmente os 20 aminoácidos que temos disponíveis na natureza 14 Figura 13 Estrutura química dos aminoácidos Os aminoácidos podem ser classificados quanto às suas características físicoquímicas podendo ser classificados como ácidos e básicos ou polares e apolares Os aminoácidos também podem ser classificados quanto à necessidade na dieta alimentar assim podem ser chamados de essenciais ou não essenciais Os aminoácidos essenciais não são sintetizados pelo nosso organismo sendo apenas adquiridos por meio da alimentação já os não essenciais podem ser sintetizados pelo nosso organismo Os aminoácidos são solúveis na temperatura ambiente sendo solúveis em água e pouco solúveis em solventes orgânicos São anfóteros quando em solução com pH neutro funcionam com ácidos ou bases adquirindo carga elétrica Os aminoácidos unemse um ao outro por meio de ligações peptídicas onde acontece a condensação de um grupo amino de um aminoácido com o grupo carboxílico de outro aminoácido com a liberação de uma molécula de água Quando temos de 2 a 40 aminoácidos unidos por ligações peptídicas formamse moléculas que são chamadas de oligopeptídeos Moléculas com 41 aminoácidos ou mais em cadeia linear são chamadas de polipeptídeos As proteínas são macromoléculas formadas por aminoácidos unidos entre si por ligações peptídicas não necessariamente sendo em cadeia linear Figura 14 15 As proteínas podem ter funções variadas estrutural movimentação e contração transporte reserva energética defesa hormônio ou função enzimática Além de funções diversificadas as proteínas apresentam propriedades específicas solubilidade especificidade e desnaturação Essas propriedades dependem das características físicoquímicas das proteínas e do meio em que se encontram pH temperatura pressão concentração salina etc Figura 14 Aminoácidos unemse por ligações peptídicas para formar peptídeos e posteriormente proteínas Podese notar na imagem que a proteína apresenta uma estrutura em hélice As proteínas apresentam 4 níveis de organização estrutural A estrutura primária equivale à sequência linear de um polipeptídio de estrutura plana formada pelos aminoácidos ligados É a estrutura adquirida logo após a tradução com a inserção de aminoácidos estabelecida pelo código genético Por serem moléculas longas as proteínas não podem estar sempre na forma linear então a estrutura primária sofre modificações por conta de ligações e interações fortes e fracas levando a dobraduras e compactação da estrutura Quando essas moléculas adquirem forma helicoidal ligadas por pontes de hidrogênio são chamadas de αhélices alfahélices Também podem assumir estruturas na forma de basculante denominadas de folhasβ folhas beta ou folha pregueada A estrutura terciária formase por dobramentos da estrutura secundária sobre si mesma A conformação espacial de cada molécula depende da interação dos aminoácidos entre si por pontes de hidrogênio e ligações dissulfeto entre duas 16 cisteínas Quando dobrada em estrutura terciária a proteína já exerce uma função biológica Por sua vez a estrutura quaternária é formada em algumas proteínas para conferir a fun ão biol gica e especi cidade ssa estrutura é determinada pela combina ão entre duas ou mais cadeias polipep dicas A diferen a entre uma prote na e outra é determinada pelo tipo número eou ordem dos aminoácidos dispostos na cadeia polipeptídica o que determina sua função e suas propriedades As proteínas podem ser classificadas também quanto à sua forma As proteínas fibrosas também chamadas de escleroproteínas apresentam forma de fibra são alongadas e geralmente apresentam função estrutural As proteínas globulares apresentam uma estrutura espacial mais complexa possuindo uma forma esférica As proteínas são de grande importância na alimentação pois são fontes de aminoácidos para a formação de estruturas celulares principalmente para a formação dos sarcômeros estrutura muito importante para a contração de músculos As proteínas podem ser consumidas na alimentação de diversas formas sendo importante o consumo das proteínas ricas em aminoácidos essenciais pois não conseguimos produzilos de forma endógena Ao contrário do que muitos imaginam as proteínas também estão presentes em alimentos de origem vegetal O consumo diário recomendado para os seres humanos é de 08 g de proteínakg corpóreo sendo que o consumo alto ou baixo pode levar a doenças 15 Nucleotídeos e Ácidos Nucleicos Os ácidos nucleicos são macromoléculas localizadas principalmente no núcleo das células e são formados por pequenos segmentos chamados de nucleotídeos apresentando sequências características Os ácidos nucleicos apresentam como funções o armazenamento transmissão e a tradução das informações genéticas sendo de extrema importância para o comando as operações realizadas pelas células A estrutura química de um nucleotídeo é formada por uma pentose açúcar de cinco carbonos grupamentos fosfato e uma base nitrogenada Figura 15 A pentose pode variar de acordo com o tipo de ácido nucleico ao qual o nucleotídeo fará parte sendo 17 desoxirribose para o ácido desoxirribonucleico DNA e ribose para o ácido ribonucleico RNA Além do açúcar há outras diferenças estruturais que diferenciam DNA de RNA Os detalhes sobre a estrutura do DNA e RNA serão discutidos posteriormente Figura 15 Estrutura de um nucleotídeo formador de uma molécula de DNA Note o grupamento fosfato ácido fosfórico o açúcar e a base nitrogenada na composição da molécula Neste tópico abordaremos as características dos nucleotídeos que são utilizados como moedas de energia pelo metabolismo A molécula chamada de adenosina trifosfato ATP funciona como a principal molécula carreadora de energia que é gerada eou consumida nas vias metabólicas Essa molécula corresponde a um nucleotídeo com três grupamentos fosfato unidos por ligações de alta energia Quando quebradas essas ligações geram energia para diversas funções biológicas e metabólicas Figura 16 18 Figura 16 Molécula de ATP liberando energia através da quebra de ligações entre os grupamentos fosfato Podese notar que a reação é reversível ou seja podese liberar a energia quebrando a ligação ou consumir a energia para realizar uma nova ligação Adaptado de Shutterstock Conclusão do Bloco 1 Neste bloco entendemos sobre estrutura função propriedades e importância das moléculas biológicas É importante ter o entendimento dessas características pois as informações obtidas neste bloco serão utilizadas para o entendimento do metabolismo das biomoléculas Referências do Bloco 1 A osé A Garcia NARDY Mariane B Compri STELLA Mercia Breda Bases da um marco inicial Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2012 19 DE ROBERTIS Edward M HIB José Biologia celular e molecular 16 ed reimpr Tradução de Iara Gonzalez Gil Maria de Fátima Azevedo Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2017 MARZZOCO Anita TORRES Bayardo Baptista Bioquímica básica 4 ed reimpr Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2018 RODWELL Victor W et al ed radu ão de u s ernando Marques orvillé Maria lisabete osta Moreira imone obe de liveira evisão técnica de uilhian eipnitz Porto Alegre AMGH 2017 20 BLOCO 2 METABOLISMO I Olá alunoa Neste bloco você trabalhará com os conceitos fundamentais sobre o metabolismo iniciando também as explicações para o entendimento sobre as vias envolvidas no metabolismo de carboidratos as macromoléculas responsáveis pelo fornecimento imediato de energia evidenciando tanto a sua degradação quanto a sua síntese e armazenamento Aqui você vai iniciar o aprendizado sobre o maravilhoso mundo do metabolismo Bons estudos 21 Bases do Metabolismo Metabolismo corresponde ao conjunto de reações químicas responsáveis pelos processos de síntese e degradação dos nutrientes nas células adaptandose às diferentes necessidades do organismo O metabolismo precisa ter atividade celular coordenada para obtenção de energia química e para realizar a conversão e síntese de moléculas características e necessárias para cada tipo de célula e para funções específicas MARZZOCO E TORRES 2018 O processo de metabolismo inclui anabolismo que é a síntese ou seja a formação de compostos ambém inclui o catabolismo onde há a degrada ão ou quebra de compostos geralmente para a obtenção de energia O anabolismo requer o uso de energia pois é constituído por reações de síntese onde ocorre a transformação de compostos orgânicos simples em compostos complexos Já no catabolismo temos as reações que liberam energia para o meio muitas vezes essa energia é utilizada pelo organismo em reações anabólicas As reações catabólicas correspondem às reações de degradação nas quais ocorre a transformação de compostos orgânicos complexos em compostos simples Esse tipo de reação tem grande importância para os organismos vivos pois há a necessidade de energia para manter as funções biológicas como a contração muscular o crescimento e o reparo No organismo vivo basicamente há a obtenção de compostos presentes no ambiente não necessariamente através da alimentação Esses compostos são consumidos eou armazenados dependendo do estado do organismo para a produção e posterior utilização da energia Quanto às fontes energéticas os organismos são classificados em autótrofos ou heterótrofos conforme mostrado no quadro a seguir 21 Fontes energéticas AUTÓTROFOS HETERÓTROFOS Usam matéria inorgânica do meio externo X X Usam matéria orgânica do meio externo X Usam energia solar para produzir matéria orgânica X Usam energia química acumulada na matéria orgânica X X Produzem matéria orgânica a partir da matéria inorgânica X Os seres heterótrofos adquirem os nutrientes a partir da alimentação Ao ingerirem o alimento iniciase o processo de digestão no sistema digestório decorrente de processos mecânicos e da ação de enzimas Esse processo quebra as grandes moléculas em moléculas menores e facilita o próximo passo chamado de absorção No ser humano a absorção acontece em suma no intestino e necessita de processos de transporte específicos presentes na membrana das células epiteliais onde acontece a passagem das moléculas para a circulação sanguínea Essas substâncias na corrente sanguínea passam pelo processo de distribuição onde há a oferta aos demais tecidos Algumas alterações no organismo podem interferir na digestão e absorção de certos nutrientes levando à deficiência nutricional alergias ou intolerância a determinados nutrientes ALBERTS et al 2017 22 Enzimas e Vitaminas Várias vias metabólicas estão acontecendo em nosso organismo neste exato momento ao mesmo tempo e em um espaço de tempo muito pequeno Essas reações são catalisadas ou seja aceleradas por moléculas com função metabólica que são chamadas de enzimas As enzimas são em sua maioria de origem proteica sendo as demais compostas por RNA chamadas de ribozimas As enzimas funcionam acelerando a taxa das reações químicas catalisando praticamente todas as reações que ocorrem dentro do organismo A substância sobre a qual a enzima atua é chamada de substrato e a enzima é específica para cada tipo de substrato A nova substância formada durante a reação é chamada de produto 22 podendo ser um produto de catabolismo quebra ou de anabolismo junção É importante ressaltar que algumas enzimas agem nas duas direções quebrando e ligando os substratos específicos Figura 1 Por se tratar de uma proteína a atividade de uma enzima é afetada pelo ambiente dentro do organismo levando em consideração a temperatura o pH e a presença ou ausência de cofatores além de ser afetada pela disponibilidade de substrato e em alguns casos pela concentração do produto As enzimas podem ser classificadas de acordo com as reações das quais participam sendo classificadas em seis tipos básicos oxidorredutases transferases hidrolases liases isomerases e ligases As oxidorredutases como o nome sugere realizam reações de oxidaçãoredução sendo um dos tipos de reação mais importantes nas quais a enzima pode atuar Nessas reações há a troca de elétrons entre duas substâncias Se a substância perde elétrons dizemos que foi oxidada se ela ganha foi reduzida Normalmente quando uma substância é oxidada outra é reduzida por isso se diz que a oxidação e a redução ocorrem simultaneamente Nesses tipos de reações em sistemas biológicos geralmente o movimento dos prótons de hidrogênio H acompanha a troca de elétrons em um organismo enquanto alguns compostos funcionam como agentes redutores 23 Figura 1 Modelo de funcionamento de uma enzima Adaptado de Shutterstock Na Figura 1 podemos notar o esquema chavefechadura de alta especificidade No modelo mostrado na parte superior temos uma enzima realizando a quebra do substrato Já no modelo na parte inferior temos a enzima catalisando uma reação anabólica onde dois substratos unemse para a formação de um único produto O substrato entra em contato com a enzima através do seu encaixe com o sítio ativo específico então a enzima altera ligeiramente a sua forma à medida que o substrato se liga formando o complexo enzimasubstrato A reação acontece e o substrato é convertido em produto O produto deixa o sítio ativo da enzima e vai para o meio A deficiência na produção de alguns tipos de enzimas pode levar a alterações no organismo Um exemplo clássico é a intolerância à lactose causada pela não produção da enzima lactase que é responsável pela quebra do açúcar lactose em galactose e 24 glicose A não ocorrência adequada dessa reação impossibilita o indivíduo de realizar a digestão corretamente levandoo a sintomas como diarreias e náuseas Figura 2 Figura 2 A ausência da enzima lactase impede a quebra da lactose aumentando a fermentação proveniente da microbiota intestinal Para o seu funcionamento efetivo muitas enzimas necessitam de substâncias orgânicas ou inorgânicas Essas substâncias são chamadas de cofatores Se o cofator for orgânico recebe o nome de coenzima sendo as principais representantes dessa categoria as vitaminas ma vitamina é de nida como um composto orgânico necessário na dieta em quan dades pequenas para a manuten ão do metabolismo normal A de ci ncia desses compostos provoca doen as espec cas decorrentes de altera es nas fun es bioqu micas e ercidas pelas enzimas ssas doen as podem ser curadas ou evitadas apenas pela reposi ão pois geralmente as vitaminas não podem ser sintetizadas pelo organismo portanto devendo ser fornecidas pela dieta As vitaminas hidrossolúveis ou seja solúveis em água funcionam principalmente como coenzimas Essas são as vitaminas B e C o ácido fólico a biotina e o ácido pantotênico ácido f lico atua como carreador de unidades de carbono A de ci ncia de uma nica vitamina do comple o é rara visto que as dietas pobres estão mais frequentemente associadas a estados de de ci ncia m l pla odavia 25 e istem s ndromes espec cas caracter s cas da de ci ncia de cada vitamina por e emplo o beri béri de ci ncia de amina a queilose a glossite e a seborreia de ci ncia de ribo avina a pelagra de ci ncia de niacina a anemia megaloblás ca a acid ria me lmal nica e a anemia perniciosa de ci ncia de vitamina a anemia megaloblás ca de ci ncia de ácido f lico e o escorbuto um grande sangramento na gengiva causado pela ausência da vitamina C As vitaminas lipossol veis são compostos hidrof bicos não sol veis em água que podem ser absorvidos de modo e ciente apenas quando há absor ão normal de gorduras semelhan a de outros lip dios essas vitaminas são transportadas no sangue em lipoprote nas ou adas a prote nas de liga ão espec ca As vitaminas lipossol veis desempenham diversas fun es e sua ausência leva a disfunções orgânicas como mostradas no quadro a seguir Vitamina Função Disfunção relacionada à ausência A Visão e diferenciação celular Cegueira noturna e xeroftalmia D Metabolismo do Cálcio e Fosfato Diferenciação celular Raquitismo em crianças e osteomalacia em adultos E Antioxidante Distúrbios neurológicos e anemia hemolítica do recémnascido K Coagulação sanguínea Doença hemorrágica do recém nascido Alguns elementos minerais inorgânicos também desempenham fun es biol gicas como a fun ão de cofator e precisam ser fornecidos pela dieta uando a ingestão é insu ciente podem surgir sinais de de ci ncia como anemia deficiência de ferro e cretinismo e b cio de ci ncia de iodo nclusive o consumo e cessivo de alguns minerais inorgânicos pode ser t ico 23 Metabolismo de Carboidratos I A digestão e absorção dos carboidratos iniciase na boca pela ação da enzima α amilase As enzimas que se encontram nas bordas das microvilosidades intestinais completam a digestão A glicose galactose e frutose são os únicos monossacarídeos 26 absorvidos imediatamente pelas células intestinais resultado do trabalho de transportadores específicos de membrana Nas células eucarióticas animais a geração de energia proveniente do metabolismo de carboidratos iniciase no citoplasma com uma via metabólica chamada de glicólise Como o próprio nome menciona na glicólise há a quebra da molécula de glicose para a geração de energia Em resumo a glicólise consiste em uma sucessão de reações que gera como produto 2 moléculas de ATP e 2 moléculas de piruvato Em condições de aerobiose ou seja na presença de oxigênio as moléculas de piruvato provenientes da glicólise são convertidas em acetilcoenzima A AcetilCoA que são direcionadas para o interior das mitocôndrias para a realização do Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos também chamado de Ciclo de Krebs Essa via é iniciada pela junção do grupamento Acetil com uma molécula de oxalacetato formando uma molécula de ácido cítrico Como o próprio nome relata a via consiste em um ciclo onde ocorrem diversas reações de oxidação e redução dos ácidos tricarboxílicos formando oito hidrogênios liberados do quais seis se combinam com três moléculas de NAD formando três moléculas de NADH e dois se combinam com um outro aceptor o FAD formando uma molécula de FADH além da geração de 1 molécula de ATP Contando que na reação de cada piruvato com a coenzima A formamse mais duas moléculas de NADH e que este ciclo está acontecendo para duas moléculas de piruvato lembrando que 1 glicose gera 2 piruvatos temos como saldo do ciclo de Krebs 8NADH sendo 2 provenientes da reação do piruvato com a coenzima A 2 FADH 2ATP MARZZOCO E TORRES 2018 Os hidrogênios liberados na degradação das moléculas orgânicas e capturados pelos aceptores são direcionados a uma nova via que ocorre no interior das cristas mitocondriais chamada de cadeia respiratória ou cadeia transportadora de elétrons onde esses átomos de hidrogênio combinamse com átomos de oxigênio provenientes do O2 atmosférico formando moléculas de água H2O Porém antes de reagirem ao final com o O2 os hidrogênios percorrem uma longa e complexa trajetória na qual se combinam sucessivamente com diversas substâncias aceptoras intermediárias MARZZOCO e TORRES 2018 27 As moléculas de NAD de FAD e de citocromos que participam da cadeia respiratória captam hidrogênios e os transferem através de reações que liberam energia para um aceptor seguinte Os aceptores de hidrogênio que fazem parte da cadeia respiratória estão dispostos em sequência na parede interna da mitocôndria O último aceptor de hidrogênios na cadeia respiratória é responsável pela formação de ATP a partir de moléculas de ADP processo chamado de Fosforilação Oxidativa Assim cada molécula de NADH que inicia a cadeia respiratória leva à formação de três moléculas de ATP a partir de três moléculas de ADP e três grupos fosfato A contabilidade energética completa da respiração aeróbica é portanto de 38 moléculas de ATP RODWELL et al 2017 O resumo das etapas da respiração aeróbica encontrase na Figura 3 Na anaerobiose ausência de oxigênio as moléculas de piruvato geradas pela glicólise seguem para vias chamadas de Fermentação Nos animais e em alguns micro organismos Streptococcus sp e Lactobacillus sp ocorre a fermentação láctica onde a redução do piruvato forma lactato Nos animais esse tipo de fermentação acontece quando há contração muscular vigorosa produzindo a chamada dor láctica Na indústria alimentícia são usadas bactérias para realizarem a fermentação de laticínios a fim de produzir queijos e iogurtes utilizando como matériaprima a glicose proveniente da lactose presente nesses alimentos Algumas bactérias e leveduras são usadas pela indústria alimentícia a fim de produzir o etanol por meio da fermentação alcoólica Outras também são usadas na fermentação acética para a produção de vinagre 28 Figura 3 Etapas da respiração aeróbica da glicose para a geração de energia 24 Metabolismo de Carboidratos II Assim que nos alimentamos e necessitamos de energia há o consumo imediato das moléculas de glicose a fim de formar energia imediata Porém existem outras vias que as moléculas de glicose podem seguir Aqui discutiremos sobre as demais vias que envolvem o metabolismo de carboidratos A primeira via a ser mencionada é chamada de gliconeogênese Essa via é ativada para a manutenção dos níveis de glicose no sangue mesmo após toda a glicose da dieta ter sido absorvida e totalmente oxidada A gliconeogênese consiste na formação de moléculas de glicose a partir de fontes não glicídicas tais como lactato aminoácidos e glicerol A gliconeogênese acontece na direção inversa da glicólise utilizando as mesmas enzimas reversíveis e contornando os passos irreversíveis Essa via ocorre 90 no fígado e 10 nos rins e por se tratar de uma via anabólica necessita do consumo de energia na forma de ATP Nos períodos de alto suprimento no organismo essas moléculas de glicose podem ser armazenadas no citosol de diversas células acontecendo prioritariamente nas células do fígado e do músculo esquelético Essa reserva energética é realizada na forma de 29 glicogênio importante para a regulação dos níveis de glicose no sangue como veremos a seguir e para fornecer reserva imediata de energia para a atividade muscular persistente A via de formação de glicogênio é chamada de glicogênese e iniciase com a fosforilação da glicose formando moléculas de glicose 1fosfato G1P As moléculas de G1P são convertidas ocorrendo gasto de energia e as moléculas resultantes passam pelo processo de polimerização onde são unidas por ligações glicosídicas catalisadas pela enzima glicogênio sintase Quando o glicogênio estiver grande o bastante a enzima glicogênio sintase é deslocada A formação de glicogênio permite o acúmulo de glicose nas células sem aumentar a pressão osmótica dentro destas MARZZOCO e TORRES 2018 O músculo armazena apenas para o consumo próprio e só utiliza durante o exercício quando há necessidade de energia rápida sendo consumido totalmente cerca de 24 horas após a última refeição O glicogênio é uma fonte imediata de glicose para os músculos quando há a diminuição da glicose sanguínea hipoglicemia Em momentos em que o corpo carece por energia geralmente no jejum acontece o processo de degradação do glicogênio chamado de glicogenólise Esse processo consiste no desligamento das ligações glicosídicas entre moléculas de glicose gerando compostos que não precisam ser necessariamente glicose livre MARZZOCO e TORRES 2018 BROWN 2018 Na bioquímica podemos interligar o reaproveitamento do lactato na gliconeogênese no fígado com o preenchimento dos estoques de glicogênio muscular glicogênese Chamamos a interligação dessas duas vias de Ciclo de Cori Figura 4 30 Figura 4 Geração de ácido láctico pela contração muscular vigorosa o que leva ao aumento do lactato sanguíneo Esse lactato é reaproveitado na gliconeogênese e a glicose gerada é armazenada de volta no músculo na forma de glicogênio Chamamos essa interligação da gliconeogênese com a glicogênese de Ciclo de Cori A via das pentosesfosfato é uma rota catabólica alternativa de oxidação da glicose6P que ocorre no citosol sem produção de ATP mas com geração de NADPH e pentoses fosfato Essa é a via de oxidação da glicose responsável pela produção de intermediários biossintéticos importantes para as células São eles NADPH que pode ser utilizado como agente redutor nas reações de biossíntese de ácidos graxos e na proteção contra espécies reativas de oxigênio radicais livres Ribose5fosfato precursor da ribose e desoxirribose açúcares importantes para a síntese de ácidos nucleicos 31 25 Fotossíntese Fotossíntese é um processo físicoquímico em nível celular realizado pelos seres vivos clorofilados plantas algas e algumas bactérias que utilizam dióxido de carbono e água para obter sacarídeos e oxigênio O2 através da energia luminosa A fotossíntese é estudada mais detalhadamente em fisiologia vegetal porém falaremos das bases bioquímicas desse evento tão importante para os sistemas biológicos A fase bioquímica da fotossíntese acontece no interior do cloroplasto uma organela composta por duas membranas interna e externa que se encontram separadas pelo espaço intermembranas ALBERTS et al 2017 As duas reações mais importantes do processo de fotossíntese são a fotofosforilação e a fixação do dióxido de carbono CO2 A fotofosforilação é a criação de energia usando a luz do sol e a fixação do CO2 utiliza essa energia para sintetizar sacarídeos A fotofosforilação acontece na membrana dos tilacoides onde há grande quantidade de clorofila Nesse evento ocorre a conversão da energia luminosa em energia química levando à formação de um fluxo de elétrons que produz grande quantidade de energia na forma de ATP Resumindo é uma reação que utiliza a luz para criar ATP a partir do ADP utilizando a fosforilação Dentro dos cloroplastos encontramse os granuns tilacoides e lamelas O estroma do cloroplasto corresponde a uma solução onde ocorrem as fases bioquímicas da fotossíntese chamada de fixação de dióxido de carbono Essa fase dividese em três etapas 1 a carboxilação onde 3 moléculas de Ribulose15Bifosfato são recrutadas para iniciar o processo onde são acrescidas de 3 moléculas de CO2 ao final formando 6 moléculas de 3 fosfoglicerato 2 a redução do carbono onde as 6 moléculas de 3fosfoglicerato são reduzidas a 6 moléculas de 3fosfogliceraldeído com gasto de ATP e oxidação de NADPH 3 regeneração do substrato onde 5 moléculas de 3fosfogliceraldeído são utilizadas para sintetizar 3 moléculas de Ribulose15Bifosfato Note que apenas 5 moléculas de 3fosfogliceraldeído foram reaproveitadas A última das moléculas sai do estroma para se transformar em amido que serve como reserva de energia para as células vegetais 32 Em resumo a fixação do carbono é uma reação que utiliza energia química armazenada na forma de ATP para criar sacarídeos utilizando o CO2 presente na atmosfera como matériaprima Figura 5 Fluxo da fotossíntese Conclusão do Bloco 2 Neste bloco você pôde entender a importância dos carboidratos como principais fontes de energia para o funcionamento dos organismos Você também viu a importância da respiração celular e como as mitocôndrias são essenciais para a obtenção de mais energia na forma de ATP Por fim e não menos importante entendemos como os vegetais realizam a fotossíntese um evento tão importante para as plantas e para o ambiente 33 Referências do bloco 2 ALBERTS Bruce et al Fundamentos da Biologia Celular rad Ardala lisa Andrade e outros revisão técnica Ardala Elisa Breda Andrade Gaby Renard 4 ed Porto Alegre Artmed 2017 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788582714065 Acesso em maio 2019 BROWN T A Bioquímica 1 ed Tradução Idilia Vanzellotti e Patricia Lydie Voeux Revisão técnica Marcelo Paes de Barros Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2018 RODWELL Victor et al ed radu ão de u s ernando Marques orvillé Maria lisabete osta Moreira e imone obe de liveira evisão técnica de uilhian eipnitz Porto Alegre AMGH 2017 MARZZOCO Anita TORRES Bayardo Baptista Bioquímica básica 4 ed reimpr Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2018 34 BLOCO 3 METABOLISMO II Olá alunos neste bloco aprenderemos sobre os metabolismos de lipídios e proteínas biomoléculas muito importantes para a geração de energia e estruturação do organismo Além disso veremos como as vias metabólicas trabalham em conjunto e como essas vias podem ser reguladas por hormônios enzimas produtos e metabólitos Ao final deste bloco você poderá entender a importância das funções metabólicas para o organismo e para a manutenção do equilíbrio dinâmico dos seres vivos 31 Metabolismo de Lipídios I A digestão dos lipídios tem início no intestino com a ação da bile e da enzima lipase pancreática A bile é um fluido produzido pelo fígado que é composto por sais biliares com a função de emulsionar tornar solúveis em água os componentes lipídicos presentes no bolo alimentar permitindo assim a sua digestão e posterior absorção A enzima lipase pancreática é liberada na luz do duodeno juntamente com o suco pancreático a fim de fragmentar os triglicerídeos que são consumidos na alimentação em ácidos graxos e glicerol Os ácidos graxos e outros produtos são absorvidos através da mucosa intestinal e convertidos em triglicerídeos novamente que são incorporados junto com o colesterol e apolipoproteínas proteínas que estão disponíveis para realizarem ligações com lipídios formando os quilomícrons Os quilomícrons circulam através dos vasos sanguíneos e linfáticos até os tecidos liberando ácidos graxos para que entrem nas células Uma vez no interior das células os ácidos graxos podem ser oxidados como combustível ou transformados em triacilglicerol para o armazenamento e reserva de energia Na maioria das vezes após a refeição ocorre a formação de triacilgliceróis de forma dominante pois a alimentação fornece glicose e ácidos graxos para o uso imediato e geração de energia As moléculas de triacilglicerol são formadas pela união de três moléculas de ácidos graxos com uma molécula de glicerol e são posteriormente acumuladas no tecido adiposo com a finalidade de formar uma reserva adiposa de energia que é usada quando há necessidade Esse evento de síntese e armazenamento é chamado de lipogênese 35 Além de serem obtidos através da dieta os ácidos graxos podem ser sintetizados a partir de aminoácidos carboidratos e álcool advindos da alimentação A biossíntese de ácidos graxos ocorre no citosol hepático a partir do excesso de grupos acetil que são produzidos pelo metabolismo de carboidratos e de lipídios Essa via de síntese iniciase com a transformação de acetilCoA com 2 carbonos em malonilCoA molécula de 3 carbonos O primeiro ácido graxo a ser sintetizado é o ácido palmítico com 16 carbonos em sua extensão que vai sendo alongado eou desnaturado para a formação de insaturações O NADPH que foi produzido na via das pentoses fosfato é utilizado como agente oxidante VOET e VOET 2013 32 Metabolismo de Lipídios II Nos períodos em que o organismo é submetido a jejum exercício físico dieta de baixa caloria ou desnutrição há a necessidade de recrutamento das reservas de energia presentes no tecido adiposo Dessa forma os triacilgliceróis são quebrados no interior dos adipócitos para a forma de ácidos graxos e glicerol consequência de três reações de hidrólise catalisadas pela enzima lipase sensível a hormônio O glicerol produzido nessa quebra segue para o fígado a fim de servir de precursor para a síntese de glicose gliconeogênese Os ácidos graxos podem seguir para a formação de novas moléculas de triacilglicerol no próprio tecido adiposo No caso de sua saída das células adiposas os ácidos graxos ligamse a moléculas de albumina uma proteína que permite que essas moléculas possam ser transportadas através do sangue para outros tecidos Os ácidos graxos circulantes ligados à albumina são chamados de ácidos graxos livres Chegando aos tecidos os ácidos graxos livres precisam ser separados da albumina mas são transportados para o interior das células por transportador específico presente na membrana plasmática ou por difusão facilitada diretamente através da bicamada lipídica Uma vez no citoplasma da célula o ácido graxo reage com uma molécula de coenzima A formando AcilCoA sendo direcionada até a borda das mitocôndrias Para entrar na mitocôndria o AcilCoA desligase da coenzima A e ligase à carnitina um transportador presente nas membranas mitocondriais A carnitina favorece a entrada dos ácidos graxos para o interior da mitocôndria onde serão 36 oxidados para a geração de energia num processo chamado de βoxidação MARZZOCO e TORRES 2018 A oxidação dos ácidos graxos de cadeia longa é uma via central liberadora de energia em animais A βoxidação consiste em uma sequência de quatro reações de forma que em cada ciclo o ácido graxo vai sendo decomposto e tornase outro ácido graxo encurtado em 2 átomos de carbono liberando AcetilCoA Isso se repete até esgotar os carbonos da cadeia do ácido graxo Para os ácidos graxos insaturados é necessária mais uma reação que irá mudar a conformação da dupla ligação antes da sua degradação completa As moléculas de Acetil oA geradas na βoxidação podem ser direcionadas para o ciclo de Krebs onde são completamente oxidadas a CO2 Em períodos de jejum prolongado principalmente quando há redução drástica dos níveis de carboidratos circulantes e das reservas no fígado o Acetil oA gerado pela β oxidação pode ser convertido em corpos cetônicos Os corpos cetônicos também chamados de cetoácidos são combustíveis hidrossolúveis que são exportados para o cérebro e outros tecidos quando não se tem glicose disponível Isso ocorre pois em períodos de jejum prolongado há o aumento exacerbado da liberação de ácidos graxos devido ao desequilíbrio entre a formação de triacilglicerol e a lipólise MARZZOCO e TORRES 2018 O fígado tenta reverter essa situação realizando a captação de ácidos graxos livres direcionandoos para a mitoc ndria essa forma a βoxidação fica acelerada nas mitocôndrias hepáticas o que excede a taxa de captação do ciclo de Krebs formando intermediários os corpos cetônicos Os corpos cetônicos gerados no jejum são direcionados para a síntese de colesterol e para ser combustível para oxidação pelas mitocôndrias de vários tecidos principalmente músculo coração e cérebro órgãos que dependem bastante do consumo de carboidratos para a geração de energia 33 Metabolismo de Proteínas I No tubo digestivo as proteínas são desnaturadas pela mudança de pH no estômago e posteriormente hidrolisadas por enzimas específicas denominadas genericamente de peptidases ou proteases pois quebram as ligações peptídicas que unem os 37 aminoácidos entre si Essas enzimas específicas para a digestão de proteínas são encontradas no suco gástrico entérico e pancreático catalisando as reações no lúmen do estômago e do intestino delgado e também no interior dos enterócitos A hidrólise das proteínas e polipeptídeos consiste na ruptura pela água das ligações peptídicas com libertação dos aminoácidos envolvidos na ligação MARZZOCO E TORRES 2018O tubo digestivo apresenta pH propício para a atividade dessas enzimas digestivas A digestão das proteínas iniciase no estômago O pH do lúmen do estômago é ácido entre 1 e 2 o que desnatura as proteínas da dieta e cria o pH adequado à ação da pepsina O quimo ácido é neutralizado quando chega ao duodeno porque os sucos pancreático e biliar contêm bicarbonato O pH neutro do lúmen do duodeno e do intestino é adequado à ação das enzimas que atuam neles As proteínas são degradadas a oligopeptídeos e aminoácidos livres HARVEY e FERRIER 2012 Os aminoácidos e pequenos peptídeos são absorvidos pelos enterócitos através de transportadores específicos Alguns di ou tripeptídeos são degradados em aminoácidos pelas aminopeptidases intracelulares Os aminoácidos são transferidos para corrente sanguínea e transportados para o fígado para a síntese de novas proteínas Os seres vivos não são capazes de armazenar aminoácidos nem proteínas e portanto satisfeitas as necessidades de síntese de proteínas os aminoácidos excedentes são degradados Nos animais os aminoácidos podem sofrer degradação oxidativa em três circunstâncias metabólicas diferentes MARZZOCO e TORRES 2018 HARVEY e FERRIER 2012 1 Durante a síntese e a degradação normais das proteínas celulares que fazem parte da renovação das proteínas alguns dos aminoácidos liberados durante a quebra das proteínas sofrerão degradação oxidativa caso não sejam necessários para a síntese de novas proteínas 2 Quando devido a uma dieta rica em proteínas os aminoácidos são ingeridos em excesso com relação às necessidades corporais de biossíntese de proteínas o excedente é catabolizado já que os aminoácidos livres não podem ser armazenados 38 3 Durante o jejum severo ou o diabetes mellitus quando os carboidratos estão inacessíveis ou não são utilizados adequadamente as proteínas corporais serão hidrolisadas e seus aminoácidos empregados como combustível Após a absorção além de serem degradados a compostos mais simples os aminoácidos passam pela retirada do nitrogênio e a cadeia carbônica deverá ser reutilizada para fins energéticos A cadeia carbônica pode ser direcionada para a produ ão de um composto final que é intermediário da s ntese de glicose este é chamado de aminoácido glicogênico Os aminoácidos cetogênicos produzem como produto final o AcetilCoA Os aminoácidos glicocetogênicos produzem tanto acetil CoA quanto intermediários na produção da glicose Os aminoácidos passam por três etapas para que ocorra a degradação A primeira fase consiste na transferência do grupamento amino de um aminoácido para um cetoácido por ação de transaminases Esse evento é seguido pela desaminação reação que corresponde à retirada do grupamento amino pelas desaminases e produção de amônia Por fim a amônia que é tóxica ao organismo quando em grandes concentrações necessita ser convertida em uma forma menos tóxica para ser excretada Dessa forma a amônia é direcionada para o fígado onde é convertida em ureia numa via metabólica chamada de ciclo da ureia MARZZOCO e TORRES 2018 34 Metabolismo de Proteínas II Os aminoácidos presentes nas células animais originamse das proteínas da dieta 14 e das proteínas endógenas 34 constituindo um conjunto de aminoácidos que é usado para a síntese de proteínas endógenas e de outras moléculas que contenham nitrogênio como bases nitrogenadas aminas e seus derivados como adrenalina e hietamina MARZZOCO e TORRES 2018 As proteínas constituintes dos organismos apresentam tempos de vida que variam desde minutos até semanas então estão continuamente sendo renovadas evento chamado de turnover de prote nas or e emplo em um adulto a renova ão de prote nas a nge normalmente das prote nas por dia essa forma as células estão con nuamente sinte zando prote nas a par r de seus aminoácidos componentes e as degradam nesses mesmos componentes 39 O processo de turnover de prote nas que aparentemente é um desperd cio pode ser mencionado quanto elimina ão de prote nas anormais cu o ac mulo poderia causar danos célula e permi r a regula ão do metabolismo celular por meio da elimina ão de enzimas e de prote nas reguladoras que não são mais necessárias A síntese de novas proteínas será abordada de forma mais completa em bloco posterior desta disciplina O evento da síntese proteica acontece devido à demanda do organismo Nesse processo é necessário que aconteça primeiramente no núcleo celular a síntese de RNA a partir de um DNA de interesse Essa molécula de RNA é transportada para o citoplasma da célula onde em contato com os ribossomos é decodificado na forma de proteínas evento este chamado de tradução A mensagem impressa no RNA é decodificada na forma de aminoácido sendo que a cada 3 nucleotídeos códon lidos um aminoácido dentre os 20 disponíveis é adicionado à sequência e ligado por meio de ligação peptídica Figura 1 Esses aminoácidos são aqueles que foram adquiridos pela alimentação e encontramse disponíveis no organismo para essa finalidade É importante ressaltar que o processo de produção de proteínas pelas células não é aleatório acontecendo sob demanda e de acordo com a estrutura e funcionalidade celular Após a sequência de estrutura primária ser obtida acontece o enovelamento processamento e direcionamento das proteínas Esses eventos são chamados de pós traducionais e têm como finalidade enovelar a proteína recémsintetizada em sua conformação tridimensional apropriada conferindo a sua forma biologicamente ativa 40 Figura 1 Síntese proteica acontecendo no ribossomo Note que assim que faz a leitura do códon acontece o acréscimo de um aminoácido Adaptado de Shutterstock 35 Integração e Regulação do Metabolismo O ato de integrar consiste em juntar em um conjunto Dessa forma nos mamíferos ocorre a integração do trabalho metabólico entre tecidos especializados e órgãos sendo que cada um deles apresenta uma contribuição para o conjunto metabólico Além dessa integração das ações as diversas atividades e vias metabólicas do organismo precisam ser reguladas e controladas para um funcionamento adequado Assim neste trecho veremos como acontece a integração e a regulação do metabolismo dependendo do estado em que o organismo se encontra focando na regulação hormonal Primeiramente precisamos entender o caminho que os nutrientes farão quando são digeridos e absorvidos incluindo a importância dos órgãos e dos tecidos Os açúcares e aminoácidos produzidos na digestão atravessam o epitélio intestinal e entram no sangue sendo transportados para o fígado que é o órgão central na distribuição e processamento dos nutrientes A glicose6fosfato é o intermediáriochave no metabolismo dos carboidratos dessa forma a sua formação pode levar à formação de glicogênio glicogênese que pode ser lançada na forma desfosforilada no sangue 41 pode ser convertida em ácidos graxos ou pode ser degradada para a geração de energia na glicólise e no ciclo do ácido cítrico MARZZOCO e TORRES 2018 Alguns triacilgliceróis derivados dos lipídios digeridos também vão para o fígado onde os ácidos graxos são usados numa variedade de processos como serem convertidos em outros triacilgliceróis colesterol ou lipoproteínas plasmáticas para o transporte e armazenamento nos adipócitos Os ácidos graxos também podem ser oxidados para produzir ATP ou formarem corpos cetônicos Os aminoácidos são usados para sintetizar as proteínas do fígado e do plasma ou os seus esqueletos carbônicos podem ser convertidos em glicose e glicogênio pela gliconeogênese a amônia restante proveniente dos grupamentos amina é convertida em ureia antes de ser excretada MARZZOCO e TORRES 2018 O músculo esquelético tem a importante função de contração e trabalho mecânico para isso durante essas atividades o glicogênio é fermentado a lactato fermentação láctica fornecendo ATP Durante a recuperação o lactato é reconvertido em glicose pela gliconeogênese e glicogênio para ser armazenado no fígado e músculo O cérebro é um órgão de extrema importância para o funcionamento do organismo e usa apenas glicose como fonte de energia Nos períodos de jejum e desnutrição o cérebro costuma utilizar corpos cetônicos para a geração de energia O sangue integra todos os órgãos unindoos através do transporte de nutrientes metabólitos e hormônios Os hormônios são mensageiros químicos secretados por glândulas servindo para regular a atividade de outros tecidos A concentração de glicose no sangue é regulada por hormônios dessa forma flutuações na glicose sanguínea devido à captação na dieta ou exercício vigoroso são contrabalançadas por uma variedade de alterações desencadeadas por hormônios VOET e VOET 2013 A adrenalina hormônio produzido pelas glândulas adrenais prepara o organismo para aumentar a sua atividade mobilizando a glicose sanguínea a partir do glicogênio e outros precursores A glicose sanguínea baixa leva à liberação do hormônio glucagon produzido pelas células alfa das ilhotas pancreáticas que estimula a liberação de glicose a partir do glicogênio hepático e desloca o metabolismo energético no fígado e nos músculos para a degradação de ácidos graxos poupando a glicose para uso pelo cérebro No período alimentado o aumento da glicose sanguínea estimula a liberação 42 de insulina que aumenta a captação de glicose pelos tecidos e favorece o armazenamento de triacilglicerol e glicogênio VOET e VOET 2013 HARVEY e FERRIER 2012 Figura 2 Os hormônios insulina e glucagon regulam o metabolismo tanto na fase de jejum quanto no estado alimentado Conclusão do Bloco 3 Neste bloco você aprendeu sobre o metabolismo de lipídios e de proteínas além de entender como esse metabolismo é integrado Você aprendeu como os lipídios podem ser usados para gerar e armazenar energia por meio da βoxidação e da lipogênese respectivamente Você também aprendeu que em um período de jejum há o consumo dos triacilgliceróis que estão presentes no tecido adiposo e em níveis mais críticos de jejum há uma grande metabolização dos ácidos graxos o que leva à geração dos corpos cetônicos As proteínas são quebradas em aminoácidos que são 43 absorvidos mas não podem ser armazenados Aproveitando o seu esqueleto carbônico para a geração de energia e excluindo as aminas na forma de ureia Por fim você aprendeu que há integração bioquímica entre os órgãos e tecidos e há regulação hormonal desse metabolismo Referências do Bloco 3 HARVEY Richard A FERRIER Denise R radu ão de André rumel ortella e equipe evisão técnica de arla almaz 5 ed Porto Alegre Artmed 2012 VOET Donald VOET Judith G ed radu ão de Ana eatriz orini da eiga e equipe evisão técnica de Carlos Termignoni e equipe Porto Alegre Artmed 2013 MARZZOCO Anita TORRES Bayardo Baptista Bioquímica básica 4 ed reimpr Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2018 44 BLOCO 4 ÁCIDOS NUCLEICOS Caro aluno neste bloco estudaremos os ácidos nucleicos O ácido desoxirribonucleico ou ADN DNA é a sigla em inglês de deoxyribonucleic acid juntamente com o ARN ácido ribonucleico em inglês RNA se refere a ribonucleic acid são os ácidos nucleicos PIERCE 2017 Eles são responsáveis pela transmissão armazenamento e execução das informações genéticas são o material genético dos seres vivos Portanto deles dependem os processos de embriogênese desenvolvimento e metabolismo dos seres vivos Neste bloco estudaremos a estrutura química dos ácidos nucleicos como o ADN é capaz de se duplicar para a transmissão da informação genética na divisão celular e na reprodu ão dos organismos e o que são as tais informa es genéticas Conhecer os ácidos nucleicos é fundamental para entender como os organismos se desenvolvem crescem e realizam seu metabolismo PIERCE 2017 41 Estrutura do ADN Tenho certeza de que você meu caro aluno já viu escrito nos mais variados produtos desde xampus a combustíveis a palavra DNA Mas afinal o que é o DNA ou ADN Em todos os seres vivos o ADN é o responsável pela transmissão e o armazenamento das informações necessárias para a embriogênese o desenvolvimento o crescimento e o metabolismo de um ser vivo ALBERTS et al 2017 Essas funções só foram atribuídas ao ADN em 1944 e somente em 1953 foi descrita sua estrutura pelos cientistas James Watson e Francis Crick o que lhes rendeu o Nobel de FisiologiaMedicina em 1962 Todas as células sejam elas procariontes ou eucariontes têm como material genético responsável pelo armazenamento das informações genéticas o ADN No caso das células eucariontes o ADN encontrase dentro de um compartimento chamado núcleo PIERCE 2017 E o que são essas informações genéticas que o ADN armazena e transmite PIERCE 2017 Essas informações são os genes 4 45 E você sabe o que é um gene De maneira bem simplificada podemos dizer que os genes são trechos da molécula de ADN que têm a receita para a fabricação de todas as proteínas que constituem os organismos As proteínas são responsáveis direta ou indiretamente pelo crescimento desenvolvimento manutenção e funcionamento de qualquer ser vivo Ao conjunto total de genes de um indivíduo denominamos Genoma PIERCE 2017 Diretamente a partir dos genes são produzidos os três tipos de ARN mensageiro ARNm ribossômico ARNr e transportador ou de transferência ARNt PIERCE 2017 O ADN juntamente com esses três tipos de ARNs produz as proteínas PIERCE 2017 como veremos no Bloco 5 Mas primeiro vamos entender a estrutura dessa molécula crucial à vida O ADN é um polímero de nucleotídeos isto é uma macromolécula que apresenta repetições de uma mesma unidade os nucleotídeos Cada nucleotídeo é formado por um grupo fosfato um açúcar com cinco carbonos pentose chamado desoxirribose e uma base nitrogenada Figuras 1 e 2 ADN gene ARN mensageiro ARNm ARN ribossômico ARNr ARN transportador ARNt 46 Figura 1 Esquema de um nucleotídeo de ADN Destacados o grupo fosfato a pentose que é uma desoxirribose e a base nitrogenada Fonte modificado de Shutterstock Figura 2 Esquema da desoxirribose Estão representados os átomos de carbono que são identificados por números de 1 carbono que se liga à base nitrogenada a 5 carbono que se liga ao grupo fosfato Essa pentose é uma desoxirribose porque no Carbono 2 está ligado apenas um hidrogênio não há oxigênio como nos demais carbonos da molécula Fonte modificado de Shutterstock No ADN existem quatro bases nitrogenadas adenina A guanina G citosina C e timina T ALBERTS et al 2017 Figura 3 47 Figura 3 Esquema das quatro bases nitrogenadas encontradas no ADN Citosina e Timina são classificadas como bases pirimídicas enquanto que Adenina e Guanina são bases púricas Fonte modificado de Shutterstock Os nucleotídeos se unem através de ligações entre o grupo fosfato de um e a pentose do outro formando uma cadeia ou fita ALBERTS et al 2017 Figura 4 Figura 4 Esquema mostrando quatro nucleotídeos circulados e a ligação entre eles que ocorre entre o carbono 3 da desoxirribose de um nucleotídeo e o grupo fosfato do outro veja as duas setas grandes Fonte modificado de Shutterstock 48 O ADN é formado por duas cadeias de nucleotídeos unidas devido à complementaridade que existe entre as bases nitrogenadas adenina ligase à timina e a guanina à citosina Figuras 4 e 5 A dupla fita do ADN assume uma configuração espacial de dupla hélice que pode ser comparada a uma escada em espiral na qual os corrimãos corresponderiam aos grupos fosfato e às pentoses e os degraus às bases nitrogenadas ligadas de ambas as cadeias Figura 5 As ligações químicas entre as bases nitrogenadas das fitas complementares do ADN são denominadas pontes de hidrogênio PIERCE 2017 Figura 5 Esquema da molécula de ADN Observe que a Guanina faz par com a Citosina e a Timina com a Adenina 42 Estrutura do ARN Como vimos no início deste bloco existem três tipos de ARN o ARN ribossômico ARNr faz parte da estrutura do ribossomo o ARN mensageiro ARNm é o responsável pelo envio da informa ão ou receita contida no ADN para o local de síntese proteica e o ARN transportador ARNt faz o transporte dos aminoácidos que são a matériaprima das proteínas PIERCE 2017 Assim como o ADN os ARNs são polímeros de nucleotídeos Cada nucleotídeo é formado por um grupo fosfato um açúcar com cinco carbonos pentose e uma base nitrogenada PIERCE 2017 Figura 6 49 Figura 6 Esquema de um nucleotídeo de ARN Circulado em amarelo o grupo fosfato e em vermelho a pentose Estão representados os átomos de carbono numerados de 1 a 5 os de oxigênio o de fósforo e os hidrogênios Observe que a estrutura geral é semelhante à do nucleotídeo de ADN a não ser pela presença de um oxigênio no carbono 2 setas ausente no ADN Fonte modificado de Shutterstock No ARN também existem quatro bases nitrogenadas adenina A guanina G citosina C e uracila U não há timina ALBERTS et al 2017 Figura 7 Figura 7 Esquema das quatro bases nitrogenadas encontradas no ARN Citosina e Uracila são classificadas como bases pirimídicas enquanto que Adenina e Guanina são bases púricas Fonte modificado de Shutterstock amarelo vermelho 50 O ARN é formado por uma cadeia simples de nucleotídeos A conformação espacial dos três tipos de ARNs é distinta O ARN mensageiro é uma cadeia simples e linear de nucleotídeos O ARN transportador é uma cadeia simples de nucleotídeos que se dobra assumindo uma forma similar a um trevo Figura 8 Já o ARN ribossômico também tem a cadeia simples de nucleotídeos que se dobra DE ROBERTS e HIB 2017 Figura 8 Estrutura do ARN transportador Observe na região superior do ARNt o sítio no qual o aminoácido aa se liga Fonte modificada de Shutterstock Comparando a molécula de ARN com a de ADN vemos que o ADN difere do ARN com relação à pentose que no ADN é uma desoxirribose e no ARN é uma ribose Figura 9 Daí os nomes desoxirribonucleico e ribonucleico respectivamente Também diferem com relação às bases nitrogenadas uma vez que no ADN não existe uracila e no ARN não existe timina As demais bases são comuns aos dois ácidos nucleicos A molécula de ARN é uma cadeia simples de nucleotídeos enquanto a de ADN é uma cadeia dupla PIERCE 2017 Figura 10 51 Figura 9 Comparação entre a ribose do ARN e a desoxirribose do ADN Observe no carbono 2 C2 da pentose a presença de um grupo OH na ribose e de apenas um H na desoxirribose PIERCE 2017 Fonte modificada de Shutterstock Figura 10 Comparação entre a molécula de ADN e a de ARN PIERCE 2017 Fonte modificada de Shutterstock 52 43 Informação genética Vimos neste bloco que o ADN contém as informações genéticas para a produção dos três tipos de ARN e consequentemente das proteínas do organismo Também estudamos que essas informações são trechos do ADN chamados de genes Exatamente onde estão codificadas essas informações Essas informações estão nas bases nitrogenadas Mas se o ADN de todos os seres vivos é formado pelos mesmos quatro tipos de bases ALBERTS et al 2017 então o que diferencia as informações do ADN de um cachorro daquelas do ADN de um manjericão por exemplo A resposta é simples a diferença está na sequência das bases nitrogenadas ao longo da molécula O grupo fosfato e a pentose são sempre iguais PIERCE 2017 Podemos imaginar as bases nitrogenadas como as letras da linguagem genética Assim como as 26 letras do alfabeto formam todas as palavras da nossa língua com os mais variados significados e que diferem uma da outra devido à sequência em que estão a palavra amor e oma são formadas pelas mesmas quatro letras o que as diferencia é a sequência com que as letras estão organizadas as quatro bases nitrogenadas determinam as diferentes informações dependendo da sequência que têm nos genes Comparando as duas sequências de bases nitrogenadas das moléculas de ADN a seguir podemos verificar que elas diferem em três pontos Isso poderia ser suficiente para tornar as informações que representam distintas entre as duas 53 Figura 12 Na figura estão representadas duas moléculas de ADN diferentes porque a sequência de bases nitrogenadas representadas pelas letras A C G e T não é a mesma Os círculos destacam as bases que diferem entre as duas moléculas Com relação ao tamanho como a molécula de ADN é formada por uma dupla cadeia de nucleotídeos o seu tamanho é estimado em pares de bases No caso dessas moléculas ambas têm 15 pb pares de bases Fonte elaborada pela autora Carolina Bertolotto 44 Duplicação do ADN A molécula de ácido desoxirribonucleico ADN é capaz de se duplicar Esse evento é crucial para que a célula possa se dividir e passar as informações genéticas para as célulasfilhas Também é importante para a reprodução dos seres vivos já que é a molécula de ADN que é transmitida ao longo das gerações ALBERTS et al 2017 As células passam por algumas fases de vida que chamamos de Ciclo Celular Esse ciclo acaba quando esta se divide ou morre Ele está organizado em etapas Interfase que compreende as fases G1 célula surge e realiza suas funções S a célula se prepara para sofrer divisão e para tanto duplica o ADN e G2 A seguir ela sofre divisão que pode ser mitose ou meiose JUNQUEIRA e CARNEIRO 2012 Uma célula que sofre mitose origina duas células geneticamente iguais à célulamãe sendo esse tipo de divisão importante para o crescimento do organismo e para a reposição de células neste JUNQUEIRA e CARNEIRO 2012 54 Na meiose originamse quatro células contendo cada uma delas metade da quantidade de ADN da célulamãe uma vez que essas célulasfilhas os gametas serão unidos para que um novo indivíduo seja formado Independentemente do tipo de divisão celular sempre ocorre a duplicação do ADN antes de a célula se dividir PIERCE 2017 Fonte modificado de Shutterstock Quando uma célula vai se dividir ela suspende todas as demais atividades para se dedicar à duplicação do ADN Ela sai da fase G1 e entra na fase S JUNQUEIRA e CARNEIRO 2012 Como a partir de uma molécula de ADN surgem duas Vimos que o ADN é formado por duas cadeias ou fitas de nucleotídeos que estão unidas pela complementaridade que existe entre as bases nitrogenadas AT CG A duplicação se inicia com o afastamento dessas duas cadeias de nucleotídeos pela ação 55 da enzima helicase responsável por desfazer as ligações químicas entre as bases nitrogenadas das cadeias complementares Figura 13 Como essas cadeias tendem a se unir novamente aparecem em cena as chamadas proteínas unifilamentares que mantêm as fitas complementares separadas O local da molécula de ADN onde ocorre o início da separação das cadeias chamase origem ALBERTS et al 2017 Figura 13 Separação das cadeias de ADN por ação da helicase cabeça de seta As proteínas unifilamentares identificadas com círculos mantêm as fitas separadas Fonte modificado de Shutterstock À medida que as fitas se separam formase um superenrolamento adiante do ponto de afastamento que é desfeito pela topoisomerase ou ADN girase que faz uma quebra em um segmento do ADN ainda não aberto diminuindo a tensão e volta a unir a cadeia Outra enzima importantíssima é a ADN polimerase Figura 14 Ela é responsável por ligar nucleotídeos livres para formar as fitas novas complementares a cada uma das fitas do ADN original que servem de molde Dessa forma cada uma das duas moléculas de ADN produzidas conterá uma fita nova e outra fita velha sendo a duplicação chamada de semiconservativa 56 Figura 14 Esquema com as principais enzimas responsáveis pela duplicação do ADN Fonte modificada de Shutterstock No entanto a ADN polimerase não é capaz de iniciar a síntese da fita nova Quem faz isso é a enzima primase que é uma ARN polimerase Após sintetizar um trecho de cerca de 10 a 12 ribonucleotídeos já que é sequência de ARN e não ADN chamado de primer a ADN polimerase consegue continuar encaixando os desoxirribonucleotídios livres nucleotídeos de ADN No final os trechos que a primase sintetizou contendo ribonucleotídeos são retirados e substituídos por desoxirribonucleotídeos processo do qual participa a ADN ligase Outras enzimas importantes nesse processo são as que verificam se a duplicação do ADN está correta Se algum erro for detectado há a produção de inibidores do ciclo celular e este é interrompido até que o erro seja reparado A integridade do ADN é verificada em vários pontos durante a divisão celular e se necessário pode ocorrer a ativação da morte celular programada apoptose Todo esse sistema de regulação funciona em harmonia sendo que um desequilíbrio pode ocasionar a não divisão ou a divisão celular descontrolada que pode dar origem a um tumor 57 45 Compactação do ADN Nas células da maioria dos eucariontes existem várias moléculas de ADN Como exemplo temos que cada célula humana tem 46 moléculas de ADN localizadas dentro do núcleo celular Elas são longas cadeias de milhões de pares de nucleotídeos que como vimos contém receitas importantes para a construção crescimento desenvolvimento e manutenção das células e do organismo como um todo Como essas longas moléculas cabem dentro do núcleo De que maneira a célula protege e controla a expressão dessas receitas As células são capazes de compactar as moléculas de ADN em diferentes níveis Com exceção do momento em que a molécula de ADN está se duplicando no resto do tempo ela está associada a proteínas globulares chamadas de histonas A essa estrutura formada pela molécula de ADN associada às histonas denominase cromatina Figura 15 A molécula de ADN é longa e sua associação com as histonas faz com que ela diminua de tamanho e assim além de ocupar menos espaço fique protegida Existem vários graus de empacotamento do ADN com as histonas sendo que o grau máximo de condensação da cromatina é o cromossomo Figura 15 Portanto um cromossomo é formado por apenas uma longa molécula de ADN em seu nível máximo de compactação ou condensação Lembrando que os genes são trechos de ADN consequentemente os genes que estão nos cromossomos são trechos deles JUNQUEIRA e CARNEIRO 2012 58 Figura 15 Diferentes níveis de compactação do ADN Cromatina e cromossomo são a mesma estrutura porém com níveis diferentes de compactação Fonte modificada de Shutterstock Além do encurtamento e proteção da molécula de ADN esses níveis de condensação estão relacionados à atividade do material genético isto é ao funcionamento dos genes aspecto que exploraremos no Bloco 5 O grau de condensação da cromatina varia de acordo com particularidades de cada tipo celular da etapa do ciclo celular e de aspectos funcionais das células JUNQUEIRA e CARNEIRO 2012 A cromatina atinge o grau máximo de condensação isto é surge o cromossomo quando as células estão em divisão mais especificamente na etapa de metáfase JUNQUEIRA e CARNEIRO 2012 Figura 16 59 Figura 16 Metáfase de célula humana com 46 cromossomos Nesse momento do ciclo celular a cromatina atinge o grau máximo de condensação e é possível contar o número de cromossomos e identificar sua forma Fonte Metáfase gentilmente cedida pela Profa Ma Luciana Zambelli Caputo SAIBA MAIS Acompanhe uma molécula de ADN se duplicando e a ação das principais enzimas que participam desse processo Vídeos da duplicação ADN wwwyoutubecomwatchvDjNGgte52lI e wwwyoutubecomwatchvzVaPUThUdWw Conclusão Neste bloco você aprendeu que os ácidos nucleicos ADN e ARN são as moléculas envolvidas na atividade genética da célula O ADN armazena e transmite as informações enquanto os ARNs executam as informações armazenadas no ADN para a síntese de proteínas O ADN difere do ARN nos seguintes itens No ADN a pentose é uma desoxirribose e no ARN é uma ribose No ADN não existe uracila e no ARN não existe timina O ARN é formado por apenas uma fita de nucleotídeos enquanto o ADN é fita dupla 60 Estudamos também que a molécula de ADN é capaz de se duplicar e que na maior parte do tempo durante o ciclo celular está associada a proteínas histonas em diferentes graus de compactação Durante a duplicação ocorre o afastamento das fitas pela ação da helicase e a ADN polimerase sintetiza a partir de nucleotídeos livres as novas fitas complementares às fitas originais Referências ALBERTS Bruce et al Biologia molecular da célula 6 ed Porto Alegre Artmed 2017 recurso eletrônico DE ROBERTS Edward M HIB José Biologia celular e molecular 16 ed Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2017 recurso eletrônico JUNQUEIRA Luiz Carlos Uchoa CARNEIRO José Biologia celular e molecular 9 ed Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2012 recurso eletrônico PIERCE Benjamin A Genética um enfoque conceitual 5 ed reimpr Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2017 recurso eletrônico 61 BLOCO 5 ÁCIDOS NUCLEICOS E SÍNTESE PROTEICA Agora que você já conhece a estrutura dos ácidos nucleicos e como o ADN se duplica estudaremos neste bloco como eles produzem as proteínas tão importantes para o funcionamento dos seres vivos As proteínas são um grupo bastante diversificado e apresentam variadas funções Algumas fazem parte da estrutura da célula e do corpo como é o caso da hemoglobina do colágeno e da queratina presentes respectivamente nas hemácias e nos tecidos conjuntivo e epitelial Existem proteínas responsáveis pela movimentação celular como a actina e a miosina presentes nas células musculares Os anticorpos são proteínas envolvidas na defesa Mas sem dúvida as proteínas que funcionam como catalisadores isto é as que aceleram a velocidade das reações químicas tanto de síntese como de degradação de moléculas denominadas enzimas são cruciais para a vida como a conhecemos O ADN e os três tipos de ARNs mensageiro transportador e ribossômico atuam em conjunto para a produção das proteínas A tem as receitas das prote nas os genes e está no núcleo Como todos os componentes necessários para a produção das proteínas estão no citoplasma deve ser produzida uma cópia do gene relacionado à prote na que a célula vai produzir ssa c pia da receita é o A mensageiro que sai do núcleo e vai ao encontro dos ribossomos organelas relacionadas à síntese proteica no citoplasma onde também estão os ARNt que carregam os aminoácidos matéria prima que compõe as proteínas Neste bloco estudaremos esses processos que levam à produção das proteínas 51 Transcrição A transcrição é o processo de formação de um ARN a partir do ADN Ela ocorre em sequências específicas do ADN denominadas genes Como vimos anteriormente um gene é uma sequência de ADN que codifica um ARN que pode ser um ARNm um ARNr ou um ARNt Se for um ARNm ele será 5 62 posteriormente traduzido para originar uma proteína Já os ARNr e os ARNt não são traduzidos permanecendo e exercendo suas funções como ARNs Interessante recordar que as mitocôndrias organelas responsáveis pela respiração celular têm ADN próprio Os genes que codificam os ARNt alguns dos genes para os ARNr e poucos genes para os ARNm estão localizados no genoma das mitocôndrias A maioria dos genes que codificam os ARNm pertencem ao ADN nuclear Um gene apresenta três regiões promotor sequência codificante e finalizador promotor sequência codificante finalizador O início da transcrição ocorre quando o promotor é identificado por proteínas iniciadoras conhecidas como fatores de transcrição A seguir a helicase separa as duas fitas de ADN e a ARN polimerase através da adição de ribonucleotídeos forma a fita complementar a uma das fitas de ADN que serve de molde e é chamada de cadeia ativa Ao chegar à região do finalizador a ARN polimerase encerra a transcrição A fita simples sintetizada é o ARN Figura 1 Figura 1 Transcrição formação do ARN a partir de uma das fitas do ADN cadeia ativa com a participação da enzima ARN polimerase Fonte modificada de Shutterstock Os genes que codificam proteínas em todos os seres vivos com exceção das bactérias apresentam sequências chamadas de íntrons e éxons Ambas são transcritas porém apenas as sequências referentes aos éxons serão traduzidas em proteína O ARNm formado após a transcrição é o préARNm uma vez que contém regiões transcritas tanto dos íntrons quanto dos éxons do gene Antes de ir para o citoplasma Formação do ARN 63 onde será traduzido ele é processado para que as regiões correspondentes aos íntrons sejam retiradas Figura 2 Então o ARNm maduro formado apenas pelas regiões correspondentes aos éxons sairá do núcleo para o citoplasma onde será traduzido ALBERTS et al 2017 Figura 2 Processamento do préARNm Os íntrons são retirados e os éxons ligados formando o ARNm maduro Fonte modificada de Shutterstock 52 Tradução A tradução é o processo através do qual uma molécula de ARNm maduro origina uma proteína As proteínas são macromoléculas formadas por aminoácidos Figura 3 64 Figura 3 Molécula de insulina formada por duas cadeias de aminoácidos representadas as seguir Essa proteína é um hormônio responsável pela entrada da glicose nas células Fonte modificada de Shutterstock Todos os seres vivos utilizam os mesmos 20 tipos de aminoácidos aa para produzir suas proteínas Figura 4 Figura 4 Representada a fórmula química dos 20 aminoácidos que compõem as proteínas dos seres vivos Fonte Shutterstock 65 Uma vez no citoplasma o ARNm maduro se une aos ribossomos e com a participação dos ARNt que trazem os aminoácidos se forma a proteína Mas como isso ocorre O ARNm é uma sequ ncia de nucleot deos que deve ser lida A leitura é feita a cada conjunto de três nucleotídeos A essa trinca de nucleotídeos denominase códon É como se todas as palavras da linguagem genética fossem formadas por trincas de nucleotídeos Para cada códon existe um aminoácido correspondente PIERCE 2017 Os ribossomos fazem a leitura dos c dons e os A t trazem os aminoácidos Como os ARNt sabem qual é o aminoácido correspondente Cada ARNt apresenta em sua sequência uma região específica de três nucleotídeos chamada de anticódon Figura 5 É essa região que reconhece o códon no ARNm que deve ser complementar ao anticódon ALBERTS et al 2017 Por exemplo se o códon for GCA o anticódon deve ser CGU lembrese que nos ARNs não existe timina em seu lugar está a uracila Figura 5 Estrutura do ARNt Observe na extremidade inferior do ARNt o anticódon Na outra extremidade está ligado o aminoácido aa Fonte modificada de Shutterstock Após o reconhecimento do anticódon pelo códon correspondente o ARNt libera o aminoácido que é retido pelo ribossomo Na próxima trinca o processo se repete e outro aminoácido é deixado O ribossomo então liga os aminoácidos entre si Esse 66 processo ocorre ao longo de toda a sequência do ARNm resultando na ligação de vários aminoácidos que formam a proteína Figura 6 Está nos ribossomos grande parte das enzimas envolvidas no processo de tradução Figura 6 Tradução do ARNm Os aminoácidos representados por círculos são trazidos pelos ARNt até o ribossomo de acordo com os códons correspondentes Fonte modificada de Shutterstock Uma única molécula de ARNm maduro pode ser traduzida por vários ribossomos simultaneamente Figura 7 67 Figura 7 Tradução em uma molécula de ARNm por vários ribossomos À medida que os aminoácidos são ligados vão formando cadeias peptídicas Fonte modificada de Shutterstock O código genético representa o conjunto de todas as trincas possíveis e seus aminoácidos correspondentes Como existem quatro tipos de nucleotídeos a combinação deles em trincas origina 64 possibilidades Observando a tabela da Figura 8 você vai notar que um mesmo aminoácido pode ser codificado por diferentes trincas o que caracteriza o código genético como degenerado ou seja não há para todos os aminoácidos uma correspondência de 11 com as trincas 68 Figura 8 Tabela com o código genético Observe que alguns aminoácidos são codificados por dois ou mais códons Os códons UAA UAG e UGA são de parada ZAHA e col 2014 isto é sinalizam que nesse ponto a tradução deve parar O códon AUG indica o início da tradução e a inserção do aminoácido metionina Fonte elaborada pela autora Carolina Bertolotto O código genético é universal Isso significa que não importa qual seja o organismo as trincas e seus aminoácidos correspondentes serão os mesmos Resumidamente os genes contêm a receita para que as células produzam as proteínas Figura 9 As proteínas são macromoléculas importantíssimas para a vida sem elas a vida não seria possível como a conhecemos 69 Figura 9 Processos de transcrição e tradução para a formação de uma proteína Fonte modificada de Shutterstock 53 Modificações póstradução das proteínas Uma vez produzidas no citoplasma as proteínas devem ser encaminhadas ao seu destino final As proteínas podem permanecer dentro da célula ou podem se integrar à membrana plasmática ou ainda podem ser secretadas pela célula Estas que são secretadas podem compor a matriz do tecido ao qual a célula pertence ou podem ir para a corrente sanguínea como é o caso do hormônio insulina Algumas proteínas são sintetizadas em ribossomos que estão livres no citoplasma enquanto outras são produzidas nos ribossomos que estão aderidos ao retículo endoplasmático rugoso ou granular REG sendo injetadas dentro deste Figura 10 Aquelas sintetizadas por ribossomos livres têm como possíveis destinos o próprio citoplasma as mitocôndrias os peroxissomos ou o núcleo celular Como exemplo deste último destino podemos citar a enzima ADN polimerase que participa da duplicação do ADN tema estudado no Bloco 4 Já as proteínas produzidas nos ribossomos aderidos ao REG podem ter como destino a membrana plasmática um exemplo seriam as proteínas transmembranosas que funcionam como canais para a passagem de moléculas o meio extracelular como acontece com a insulina ou podem fazer parte dos lisossomos constituindo enzimas digestivas 70 Figura 10 Esquema de uma célula eucarionte com ribossomos em destaque que podem estar livres no citoplasma ou aderidos ao retículo endoplasmático granular Fonte modificada de Shutterstock Como a célula define se o ARNm será traduzido por um ribossomo livre ou por um que esteja aderido ao retículo endoplasmático granular e consequentemente a proteína sofrerá modificações dentro dessa organela tendo destinos diferentes Inicialmente os ribossomos livres são os que começam a tradução Se a proteína que está sendo sintetizada tiver uma sequência de aminoácidos específica chamada de sequ nciasinal esse ribossomo adere ao ret culo endoplasmático granular JUNQUEIRA e CARNEIRO 2012 Se não houver essa sequência específica ele permanece livre no citoplasma Podemos dizer então que o destino da proteína está determinado nela e consequentemente em sua receita o gene No retículo endoplasmático rugoso e no complexo golgiense organela para a qual as proteínas são enviadas depois que passam pelo retículo as proteínas passam por várias modificações Essas modificações são cruciais para o funcionamento dessas proteínas e são realizadas pelas várias enzimas existentes nessas organelas Qualquer falha nessa transformação pode produzir uma proteína defeituosa e ocasionar alguma doença Esse é o caso da síndrome de EhlersDanlos caracterizada pelo amolecimento dos ligamentos das articulações contorcionistas de circo e lesões nos olhos tubo digestório e vasos devido a defeitos nas modificações póstradução do colágeno 71 Todos os processos descritos até aqui neste bloco são minuciosamente controlados e regulados em diferentes níveis Falhas em algum ponto das etapas de duplicação transcrição processamento do préARNm tradução e modificações póstradução das proteínas podem gerar doenças genéticas 54 Expressão gênica Expressão gênica é o processo a partir do qual a informação codificada em um gene é decodificada em uma proteína Todas as células de um organismo se originam a partir de uma única célula inicial e portanto todas as células desse organismo têm os mesmos genes No entanto aqueles que efetivamente funcionam em cada célula são distintos isto é a expressão destes não é a mesma em todas as células Essa expressão gênica distinta possibilita a diferenciação celular Em outras palavras o conjunto de genes expressos ativos em uma célula determina as proteínas que ela possui conferindolhe suas características e funções Podemos pensar por exemplo no hormônio proteico insulina produzido no pâncreas Todas as células do nosso organismo têm o gene que codifica essa proteína porém ele só é transcrito e traduzido nas células do pâncreas A expressão gênica tem dois tipos de controle Temporal genes que só são expressos em um determinado período da vida como por exemplo genes relacionados ao desenvolvimento embrionário que só se expressam no embrião Espacial genes que só se expressam em determinados tipos celulares como o exemplo acima da produção de insulina pelas células do pâncreas Portanto existe um mecanismo de regulação gênica que controla a expressão dos genes possibilitando que cada célula possua um conjunto diferente de genes ativados consequentemente conjuntos diferentes de proteínas tornando cada célula especializada em um determinado trabalho Nos organismos eucariontes a expressão gênica envolve várias etapas e a sua regulação isto é o controle de quais genes estarão ativos pode acontecer em 72 qualquer uma delas desde o acesso ao ADN para a produção de ARNm até a tradução e processamento de proteínas Para que ocorra a transcrição passo fundamental para o funcionamento do ADN as enzimas devem ser capazes de acessar a molécula de ADN portanto o nível de condensação do ADN é um dos recursos que a célula utiliza para regular a expressão gênica No entanto muitos genes são regulados na etapa de transcrição por proteínas chamadas de fatores de transcrição específicos Há fatores de transcrição gerais que são necessários para que a transcrição ocorra nos organismos eucariontes pois auxiliam no posicionamento correto da ARNpolimerase no promotor ajudam na separação das fitas de ADN e liberam a ARNpolimerase do promotor quando a transcrição começa Mas os fatores de transcrição específicos é que garantem que os genes certos naquele tipo celular sejam expressos e que outros fiquem inativos Esses fatores podem portanto ser ativadores ou repressores 55 Alterações no ADN Agora que você já conhece a estrutura e o funcionamento do material genético vamos estudar alterações que podem ocorrer no ADN Já vimos que os genes são trechos de ADN que são codificados para um ARN Um mesmo gene pode apresentar variações devido à existência de diferenças na sequência de nucleotídeos Essas variações de um mesmo gene são chamadas de alelos e são responsáveis pela variação das características que observamos nos seres vivos desde diferenças entre espécies até aquelas observadas na mesma espécie DE ROBERTS e HIB 2017 Como se originam essas sequências diferentes Se você pensou nas mutações acertou Ao longo do tempo ocorrem mutações nas sequências de ADN que geram essas variantes esses alelos PIERCE 2017 Toda a imensa variedade de espécies viventes e daquelas que já se extinguirem e conhecemos com base no registro fóssil surgiram a partir de mutações onde a seleção natural atuou resultando nas palavras do cientista ichard awkins no maior espetáculo da erra a evolu ão 73 Existem mutações espontâneas e induzidas Estas últimas são provocadas por agentes mutagênicos físicos ou químicos que fazem com que ocorram mutações ou aumentam a frequência destas Entre as espontâneas podemos citar aquelas que ocorrem devido à colocação errada de nucleotídeos durante a duplicação do ADN Vimos no Bloco 4 que sempre que as células se dividem elas devem antes duplicar suas moléculas de ADN A enzima ADN polimerase responsável pela formação das novas fitas complementares de nucleotídeos insere a cada 1000 nucleotídeos um deles incorretamente Esses erros são corrigidos por enzimas de reparo do ADN no entanto esse sistema de correção não é perfeito e algumas mudanças de nucleotídeos são fixadas Assim surgem as mutações que geram as variações os alelos ZAHA FERREIRA e PASSAGLIA 2014 ALBERTS et al 2017 As mutações podem ser deletérias neutras ou vantajosas As que são deletérias geralmente originam alelos que ou produzem uma proteína que não desempenha corretamente sua função Figura 11 ou que nem mesmo produzem a proteína o que pode causar prejuízo ao organismo e portanto tendem a ser eliminadas LODISH et al 2014 ZAHA FERREIRA e PASSAGLIA 2014 74 Figura 11 Alterações observadas na anemia falciforme Indivíduos com essa anomalia têm hemácias com formato anormal devido a uma mutação no gene que codifica a proteína hemoglobina responsável pelo transporte do oxigênio no sangue Essa mutação envolve um único nucleotídeo como mostrado pelos triângulos invertidos Fonte modificada de Shutterstock As mutações que são vantajosas geram alelos que produzem proteínas mais eficientes ou vantajosas para o organismo sendo selecionadas ao longo da evolução Entretanto a maioria das mutações é do tipo neutra e acaba se fixando na população Como exemplo estão os vários alelos envolvidos na determinação da cor dos olhos Dependendo da combinação dos alelos originase uma cor diferente de olhos ALBERTS et al 2017 As mutações gênicas podem ocorrer em um único nucleotídeo ou em trechos maiores de um gene Podem ser de três tipos substituição Figura 11 deleção ou inserção As mutações do tipo substituição podem ser silenciosas isto é não causam alteração de aminoácidos nas proteínas correspondentes As deleções e inserções envolvendo trechos de nucleotídeos não múltiplos de três causam mudança na matriz de leitura e 75 consequentemente há produção de proteínas alteradas ou até mesmo a não produção da proteína correspondente Conclusão A síntese proteica foi o foco deste bloco Ela tem início com a transcrição que ocorre nos genes e é a formação de um ARNm a partir do ADN O ARNm é processado para a retirada das sequências correspondentes aos íntrons o que origina o ARNm maduro que sai do núcleo e no citoplasma é traduzido com a participação dos ribossomos e dos A t processo de tradu ão consiste na leitura das trincas do A m maduro e ligação dos aminoácidos correspondentes que são trazidos pelos ARNt O código genético conjunto de todas as trincas possíveis é degenerado e universal Resumindo os processos Estudamos neste bloco também que a atividade dos genes é controlada por fatores de transcrição e que alterações na sequência dos nucleotídeos podem ocorrer de forma espontânea ou induzida originando mutações Referências ALBERTS Bruce et al Biologia molecular da célula 6 ed Porto Alegre Artmed 2017 recurso eletrônico DE ROBERTS Edward M HIB José Biologia celular e molecular 16 Ed Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2017 recurso eletrônico JUNQUEIRA Luiz Carlos Uchoa CARNEIRO José Biologia celular e molecular 9 ed Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2012 recurso eletrônico 76 LODISH Harvey et al Biologia celular e molecular 7 ed Porto Alegre Artmed 2014 recurso eletrônico PIERCE Benjamin A Genética um enfoque conceitual 5 ed reimpr Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2017 recurso eletrônico ZAHA Arnaldo FERREIRA Henrique Bunselmeyer PASSAGLIA Luciane MP Biologia molecular básica 5ed Porto Alegre Artmed 2014 recurso eletrônico 77 BLOCO 6 TÉCNICAS DE BIOLOGIA MOLECULAR O avanço científico e tecnológico na área da biologia molecular desde a década de 1950 quando o ADN teve sua estrutura descrita foi tão grande que suas aplicações práticas já fazem parte do nosso dia a dia O conhecimento detalhado da estrutura e do funcionamento do material genético assim como a sua manipulação com diferentes objetivos é uma realidade Na área da medicina por exemplo o conhecimento atual e as técnicas disponíveis possibilitam a investigação de inúmeros tipos de doenças inclusive aquelas que são infecciosas e de interesse epidemiológico Variadas técnicas de biologia molecular estão hoje disponíveis para detectar isolar e manipular o material genético de um ser vivo MENCK e SLUYS 2017 Entre as mais conhecidas estão a Reação em cadeia da Polimerase PCR a Tecnologia do ADN recombinante e recentemente a CRISPER cas 9 técnica que permite o acesso guiado e modificações precisas na sequência de ADN MENCK e SLUYS 2017 Neste bloco apresentaremos a você caro aluno algumas das principais técnicas de biologia molecular envolvendo os ácidos nucleicos 61 Hibridização fluorescente in situ com sondas de ADN e ARN A hibridização fluorescente in situ conhecida pela sigla FISH do inglês fluorescence in situ hybridization é uma técnica que permite a detecção de sequências específicas de nucleotídeos que podem ser de ADN ou ARN em células e cortes histológicos Essa técnica baseiase no emparelhamento de duas sequências de ácidos nucleicos complementares entre si LIPAY e BIANCO 2015 Para tanto são produzidas sequências complementares à sequência que se deseja localizar que recebem o nome de sondas Essas sequências artificiais que podem ser de ADN ou ARN são marcadas com corantes fluorescentes que ao serem analisados em microscópios adequados emitem luz e assim permitem a sua detecção Figura 1 4 6 78 Figura 1 Representação de parte do procedimento para a marcação com sonda de ADN As lâminas com as preparações cromossômicas são deixadas com a solução contendo as sondas a uma temperatura elevada para que ocorra a separação das fitas de ADN dos cromossomos e a sonda se ligue hibridize à sequência complementar A foto da figura mostra a detecção de sondas teloméricas nas terminações dos cromossomos chamadas de telômeros Fonte modificada de httpscommonswikimediaorgwikiFileQFISHworkflowpng Qual a aplicação dessa técnica Na área da citogenética clínica essa técnica pode ser utilizada para a detecção de alterações cromossômicas relacionadas a síndromes caracterizadas pela presença de uma quantidade anormal de cromossomos ou alterações na estrutura destes Essas alterações cromossômicas também podem ser analisadas em células tumorais para estabelecer um diagnóstico mais preciso de suma importância para orientar o tratamento e em pesquisas para uma melhor compreensão da doença permitindo avanços no diagnóstico e tratamento Em alguns casos as sondas de ADN podem ser usadas em lâminas com células em interfase não havendo necessidade de se fazer cultura de células para obter cromossomos Figura 2 79 Figura 2 Núcleo em interfase submetido à técnica de hibridização fluorescente in situ com os cromossomos 13 e 21 detectados em branco e preto setas respectivamente evidenciando a ocorrência de trissomia do cromossomo 21 ou Síndrome de Down Fonte modificada de Lipay e Bianco 2015 Além de sua aplicação na área da citogenética clínica outros tipos de abordagens podem utilizar essa técnica como estudos evolutivos através da comparação do genoma de diferentes espécies No caso de sondas de ARN sua utilização permite o estudo da expressão gênica A partir dessas sondas de ARN é possível detectar se um gene está ativo ou não em determinada célula ou tecido uma vez que a sonda em questão hibridizará com seu respectivo ARNm se este estiver presente indicando que o gene que o codifica está ativo 62 Reação em cadeia da polimerase PCR A técnica de reação em cadeia da polimerase mais conhecida como PCR em inglês Polymerase Chain Reaction desenvolvida por Kary Mullis em 1983 permite a obtenção em um tubo de ensaio de uma grande quantidade de cópias de sequências de ADN a partir de uma solução contendo o ADNalvo dois iniciadores sequências de 15 a 25 nucleotídeos localizados antes e após a região do ADN que se deseja 80 amplificar rotineiramente chamadas de primers os quatro desoxirribonucleotídeos e a ADN polimerase utilizando um aparelho chamado de termociclador Figura 3 Figura 3 Termociclador também chamado de máquina de PCR Fonte Shutterstock Basicamente a reação em cadeia da polimerase ocorre devido à ação da enzima ADN polimerase que atua em ciclos repetidos de duplicação Figura 4 Essa enzima é guiada para a sequência a ser duplicada pelos iniciadores que se ligam ao ADNmolde no início e final da sequência de ADNalvo Esses iniciadores são sintetizados em laboratório e é necessário conhecer as sequências de ADN próximas ao início e fim da sequência de ADN de que se deseja obter cópias para definilos MENCK e SLUYS 2017 Figura 4 Amplificação do ADN duplicação das moléculas de ADN em ciclos repetidos de 25 a 35 vezes Fonte Shutterstock 81 Como é feita a PCR Os componentes necessários isto é a amostra de ADN os iniciadores os desoxirribonucleotídeos e a ADN polimerase são colocados em um pequeno tubo plástico que então é colocado em um termociclador Figura 3 aparelho capaz de fazer ciclos de temperatura São programados o número de ciclos que o aparelho deve executar e as temperaturas e duração de cada etapa do ciclo Cada ciclo tem três etapas com duração média de um minuto cada A primeira é a desnaturação a aproximadamente 95 oC na qual ocorre a separação das cadeias de ADN Na etapa seguinte a hibridização entre 50 oC e 70 oC os iniciadores se ligam à sequência complementar Na terceira etapa a amplificação a ADN polimerase continua a inserir nucleotídeos a partir das extremidades dos iniciadores formando assim a fita complementar a que está servindo de molde Figura 5 Interessante saber que a ADNpolimerase utilizada é termicamente estável isto é não sofre desnaturação devido às altas temperaturas do termociclador pois é proveniente de microrganismos que vivem em fontes de águas termais 82 Figura 5 Etapas de cada ciclo da reação em cadeia da polimerase Fonte modificado de Shutterstock 83 É um procedimento rápido e bastante sensível que pode ser realizado a partir de qualquer amostra de ADN Esses aspectos da técnica permitem a sua utilização em medicina forense diagnóstico de doenças infecciosas controle de qualidade industrial entre outras aplicações O produto da PCR pode ser detectado por coloração após a separação por eletroforese em gel de agarose Figuras 6 e 7 Figura 6 Detecção do produto de PCR por eletroforese em gel de agarose Fonte modificado de Shutterstock 84 Figura 7 Detecção do produto de PCR a aplicação de produto de PCR em gel de agarose b gel de agarose Observe as bandas que são o produto de PCR c foto de gel de agarose com as bandas que representam o produto de PCR Fonte modificado de Shutterstock Existem várias aplicações para a PCR Ela pode ser usada para a detecção de patógenos em pacientes inclusive na medicina veterinária Com a utilização de iniciadores específicos para o ADN do patógeno podese detectar sua presença em estágios iniciais da doença A PCR é um método bastante sensível para detecção de patógenos e vem substituindo outros tipos de exames como pudemos acompanhar durante as últimas epidemias de dengue Na medicina forense a possibilidade de obter grandes quantidades de ADN faz da PCR uma aliada em casos de quantidades mínimas de sangue e tecido que possam conter restos de uma única célula que permitam a identificação do indivíduo O teste de paternidade também utiliza a PCR a partir da qual vários segmentos de ADN são comparados como bandas no gel de agarose que revelam um padrão de bandas específico um perfil de ADN também conhecido como impressão digital de ADN ADN fingerprint em inglês Essa mesma metodologia pode 85 ser usada para comparar populações de uma mesma espécie e espécies diferentes em estudos evolutivos Outra aplicação muito importante da PCR é para a clonagem de genes posteriormente usados para a produção de transgênicos tanto vegetais como animais Trataremos dessa aplicação no item 63 63 Tecnologia do ADN recombinante A tecnologia do ADN recombinante engloba várias técnicas com o objetivo de detectar isolar manipular e estudar a molécula de ADN geralmente produzindo moléculas de ADN híbridas isto é contendo sequências de diferentes origens daí o termo ADN recombinante A primeira vez que foi produzido um ADN contendo segmentos de dois organismos distintos foi em 1973 por Cohen e Boyer que juntaram ADN de duas bactérias diferentes e depois de um anfíbio com o de uma bactéria Essa técnica tem múltiplas aplicações e de maneira geral consiste na obtenção de segmentos de ADN de interesse inserção destes em um ADN receptor capaz de se replicar e consequentemente replicar o ADN de interesse e a inserção desse ADN recombinante em uma célula hospedeira onde o segmento de interesse se replique e se expresse no caso de ser um gene ZAHA FERREIRA e PASSAGLIA 2014 Antes do desenvolvimento da reação em cadeia da polimerase que já estudamos a única maneira de obter quantidades suficientes de determinada sequência de ADN de interesse que possibilitasse sua manipulação era a partir da clonagem desses fragmentos em células Esse procedimento é muito trabalhoso e demora vários dias em contraposição à PCR que tem duração de horas Como é feita a clonagem desses fragmentos de interesse em células São necessárias enzimas de restrição um ADN doador e um receptor uma enzima chamada ADN ligase um vetor e uma bactéria As enzimas de restri ão são prote nas capazes de cortar o A istem várias enzimas de restrição sendo que cada uma delas é capaz de clivar o ADN em um local específico sítio específico Por exemplo a EcoRI cliva ADN em regiões que tenham a sequência GAATTC enquanto a HindIII cliva na sequência AAGCTT Figura 8 Essas 86 siglas para nomear as enzimas de restrição vêm do nome da bactéria de origem as quais servem como mecanismo de defesa contra a infecção por vírus As bactérias também têm seus inimigos naturais os vírus chamados de bacteriófagos Figura 9 e para se defender destes possuem enzimas de restrição que clivam o ADN viral impedindo sua reprodução Essas sequências no genoma da bactéria estão protegidas por modificações químicas EcoRI provém de Escherichia coli e Hind III de Haemophilus influenzae Figura 8 Representação do ponto de clivagem da enzima Hind III Fonte Pierce 2017 87 Figura 9 Esquema da estrutura de um bacteriófago Fonte modificada de Shutterstock Usando essas enzimas é possível clivar o segmento de ADN de interesse e utilizando a mesma enzima de restrição clivar o ADN aceptor no qual o segmento de interesse é adicionado por conta da aderência entre os ADNs doador e aceptor com a participação da enzima ADN ligase Figura 10 Os vetores são os que farão a inserção do ADN recombinante na célula hospedeira Existem vários tipos de vetores sendo os bacteriófagos e os plasmídeos os mais conhecidos Já vimos que os bacteriófagos são vírus que infectam bactérias e essa habilidade de entrar em células é a ferramenta que a tecnologia do ADN recombinante usa para inserir os ADNs recombinantes Os plasmídeos são pequenas moléculas de ADN circulares existentes nas bactérias e capazes de se autoduplicarem Eles são usados como receptores do ADN de interesse e a molécula recombinante que se origina é então introduzida em uma bactéria que se multiplicará o mesmo ocorrendo com o ADN recombinante LODISH et al 2014 88 Figura 10 Esquema simplificado da tecnologia do ADN recombinante Observe que a região do ADN de interesse é clivada assim como a do ADN aceptor deixando pontas de aderência em ambos O ADN receptor poderia ser um plasmídeo que também serve de vetor Fonte modificada de Shutterstock Com o advento da PCR é possível fazer inúmeras cópias de um fragmento de ADN No entanto a tecnologia do ADN recombinante tem várias outras aplicações Por exemplo a inserção de um gene em uma célula hospedeira com o objetivo de fazer com que esta produza a proteína codificada por ele Um exemplo é a produção de insulina humana por bactérias Uma vez que o código genético é universal é possível se produzir transgênicos isto é organismos que contêm genes de outras espécies e fazer com que este gene produza a proteína de interesse no novo hospedeiro exatamente igual àquela que a célula doadora do gene faria No exemplo dado a bactéria produz a mesma insulina que a célula humana do pâncreas produziria Existem muitos outros exemplos de biofábricas nas quais geralmente bactérias produzem substâncias de interesse inclusive vários fármacos Genes também podem ser introduzidos em embriões que passam a expressar esse gene e consequentemente produzir a proteína por ele codificada Podem ser gerados animais transgênicos geralmente camundongos que servem de modelo experimental para 89 estudar doenças genéticas introduzindo o gene envolvido na doença em ovócitos fertilizados Outra aplicação dessa tecnologia é na terapia gênica que se baseia na introdução de um gene saudável em um paciente que tem uma doença genética Estas são apenas algumas das aplicações da tecnologia do ADN recombinante 64 Sequenciamento de ADN O sequenciamento de ADN é a obtenção da ordem em que os nucleotídeos estão dispostos em uma molécula de ADN Ele é uma das ferramentas utilizadas na área da genética conhecida como Genômica cujo interesse é conhecer a organização as funções e a evolução da informação genética nos organismos e para tanto necessita determinar as sequências completas do genoma destes Atualmente existem máquinas automatizadas com scanners a laser capazes de sequenciar trechos longos de ADN em poucas horas Como é o sequenciamento A obtenção das sequências se baseia na interrupção do processo de duplicação em diferentes pontos ao longo das moléculas de ADN É feita uma reação em cadeia da polimerase mas são usados além dos quatro tipos comuns de desoxirribonucleotídeos quatro nucleotídeos especiais chamados de didesoxirribonucleotídeos cada um deles marcado com um corante fluorescente de cor diferente que quando incorporados à cadeia de ADN que está sendo produzida interrompem a atividade da ADN polimerase finalizando a inserção de nucleotídeos ALBERTS et al 2017 omo esses nucleot deos finalizadores competem com os normais vão se formando fragmentos de diferentes tamanhos e o último nucleotídeo que é o especial pode ser identificado quando os fragmentos de tamanhos diferentes se separam e passam de acordo com seu tamanho por um tubo onde o scanner detecta cada um dos quatro corantes diferentes Essas informações são passadas para um computador que as interpreta Figuras 11 e 12 90 Figura 11 Esquema do sequenciamento de ADN Os componentes da reação são iniciador primer ADNalvo ADN polimerase quatro desoxirribonucleotídeos dNTPS e os quatro didesoxirribonucleotideos ddNTPs marcados com corantes fluorescentes Fonte modificada de httpsenwikibooksorgwikiMethodsandConceptsintheLifeSciencesDNASe quencing Figura 12 Gráfico resultante da interpretação dos dados pelo computador Cada cor de pico diferente representa um dos quatro nucleotídeos marcados com os corantes fluorescentes usados na reação de sequenciamento que também estão discriminados a seguir pelas letras A T G e C Fonte modificada de Shutterstock 91 O primeiro genoma completo sequenciado foi o da bactéria Haemophilus influenzae em 1995 por um grupo de cientistas entre eles Craig Venter que também participou do sequenciamento do genoma humano iniciado em 1990 e concluído em 2000 com a participação de instituições públicas e privadas de vários países A sequência de todo o genoma humano foi publicada na revista Nature 2001 v409 p 860 e pode ser acessada através da página httpswwwncbinlmnihgovprojectsgenomeguidehumanindexshtml do Centro Nacional de informações para Biotecnologia no inglês National Center for Biotechnology Information NCBI que é um importante banco de dados de informações biológicas criado em 1988 para o armazenamento processamento e divulgação da grande quantidade de dados biológicos produzidos pelos pesquisadores Nele estão disponíveis gratuitamente sequências de ADN de milhares de espécies e as sequências completas de todos os genomas sequenciados até o momento assim como informações sobre genes proteínas e artigos científicos Esse banco de dados é de extrema importância para aqueles que trabalham ou se interessam pelas áreas de genética bioquímica e biologia molecular Vale a pena uma visita sua para conhecer a estrutura e as informações que esse recurso da bioinformática proporciona Conhecer a sequência de nucleotídeos das moléculas de ADN de um organismo permite uma série de estudos que vão desde a localização de genes detecção de mutações em genes conhecidos estudos comparativos entre espécies até abordagens funcionais do genoma como a compreensão das funções dos genes isto é que proteínas produzem em que momento e que função desempenham na vida do organismo São informações de grande valor para muitas áreas como a medicina humana animal e a agricultura entre outras 65 CRISPER Cas 9 As bactérias apresentam um mecanismo natural de imunidade contra a inserção de material genético indesejado como quando são infectadas por vírus Esse mecanismo consiste na integração de pequenas porções do material genético invasor em regiões de sequências repetitivas da bactéria conhecidas pela sigla em inglês CRISPR Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats que deu nome à técnica 92 As CRISPR juntamente com as sequências de ADN invasor nelas inseridas podem ser transcritas em pequenos fragmentos de ARNguia que se associam a proteínas chamadas Cas sigla em inglês para CRISPR associated proteins formando um complexo capaz de localizar o ADN de um invasor caso haja uma segunda invasão degradando o ADN viral Figura 13 Essa identificação do ADN invasor é possível porque a sequência de nucleotídeos do ARNguia é complementar à sequência de ADN invasor MENCK e SLUYS 2017 Em 2012 Jennifer Doudna da Universidade da Califórnia Estados Unidos e Emmanuelle Charpentier da Universidade de Viena Áustria demonstraram in vitro que com o auxílio de um ARNguia a enzima Cas9 poderia cortar uma sequência de ADN no local desejado Em 2013 Zhang e Church da Faculdade de Medicina da Universidade de Harvard publicaram suas pesquisas usando o sistema CRISPRCas9 para modificar o genoma de células de camundongos e humanos Os três disputam a patente dessa técnica para mais detalhes acesse httprevistapesquisafapespbr20180719guerradepatentes Como funciona o mecanismo do CRISPRCas9 Quando uma bactéria é infectada por um vírus o ADN deste é fragmentado em pedaços pelas enzimas de restrição que já estudamos anteriormente Alguns desses fragmentos de ADN invasor são inseridos entre os segmentos repetitivos do sistema CRISPR MENCK e SLUYS 2017 No caso de a bactéria sofrer uma nova infecção ocorre a transcrição desse ARNguia que consegue localizar o ADN viral e devido à ação da Cas 9 o ADN viral é destruído 93 FIGURA 13 A Cas9 é direcionada por uma pequena sequência de ARNguia que reconhece a sequência de ADNalvo Fonte modificada de Shutterstock CRISPRCas9 é considerada uma técnica de edição gênica porque pode ser utilizada para fazer modificações na sequência de genes como mutações de ponto deleções inserções e até mesmo deletar genes inteiros e substituílos por outros como no caso da terapia gênica Para isso basta sintetizar in vitro o ARNguia complementar à sequência que se deseja modificar para conseguir localizála O sucesso dessa técnica se deve à sua versatilidade e simplicidade Suas aplicações são inúmeras inclusive associadas a outras terapias como a edição de célulastronco e a terapia gênica Essa grande possibilidade de manipulação gênica suscita a urgente discussão sobre os limites éticos dessa nova fronteira da ciência 94 SAIBA MAIS Vale a pena visitar o link httpswwwncbinlmnihgovprojectsgenomeguidehumanindexshtml do Centro Nacional de informações para Biotecnologia NCBI onde estão disponíveis gratuitamente sequências de ADN de milhares de espécies as sequências completas de todos os genomas sequenciados até o momento e informações sobre genes e proteínas Conclusão Neste bloco apresentamos a você caro aluno algumas das principais técnicas utilizadas nos laboratórios de Biologia Molecular Todas enfocam o material genético e têm inúmeras aplicabilidades em várias áreas como medicina agricultura e na própria indústria Algumas delas são usadas de forma conjunta como é o caso da reação em cadeia da polimerase que amplifica em bilhões o número de cópias de um ADN e assim fornece material para a tecnologia do ADN recombinante e para o sequenciamento Referências ALBERTS Bruce et al Biologia molecular da célula 6 ed Porto Alegre Artmed 2017 recurso eletrônico LIPAY Monica V N BIANCO Bianca Biologia molecular Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2015 recurso eletrônico LODISH Harvey et al Biologia celular e molecular 7 ed Porto Alegre Artmed 2014 recurso eletrônico MENCK Carlos F M SLUYS MarieAnne Van Genética molecular básica 1 ed Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2017 recurso eletrônico 95 PIERCE Benjamin A Genética um enfoque conceitual 5 ed reimpr Tradução de Beatriz Araujo do Rosário Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2017 recurso eletrônico ZAHA Arnaldo FERREIRA Henrique Bunselmeyer PASSAGLIA Luciane M P Biologia molecular básica 5 ed Porto Alegre Artmed 2014 recurso eletrônico