Biology · AP Biology
Expressão e regulação gênica
do DNA à proteína
Um gene é um trecho de DNA cuja sequência de bases determina um RNA e, geralmente, uma proteína. Expressá-lo envolve duas etapas: a transcrição, de DNA para RNA, e a tradução, de RNA para proteína.
A figura é um pedaço da dupla hélice, girando. As duas fitas são mantidas unidas pelos pares de bases no meio, e a ordem dessas bases é a informação.
Este capítulo acompanha essa informação: como o DNA é construído (6.1) e copiado (6.2), como um gene é lido em RNA (6.3) e em proteína (6.4), como as células decidem quais genes ler (6.5, 6.6), o que acontece quando a sequência muda (6.7) e como um laboratório corta, copia e separa o DNA (6.8).
estrutura do DNA e do RNA
O DNA, e em alguns vírus o RNA, é a informação hereditária de uma célula. Ambos são cadeias de nucleotídeos: um açúcar, um fosfato e uma base nitrogenada.
Açúcares e fosfatos se alternam e formam o esqueleto. Cada fita tem uma direção: uma extremidade 5′ com um fosfato livre e uma extremidade 3′ com um –OH livre no açúcar. As duas fitas do DNA correm em sentidos opostos, antiparalelas, e se enrolam em uma dupla hélice.
As bases se pareiam no meio por ligações de hidrogênio: A com T (duas ligações) e G com C (três). A e G são purinas, com dois anéis; C, T e U são pirimidinas, com um. Todo par é formado por uma purina e uma pirimidina, então a hélice mantém a mesma largura (cerca de 2 nm), dando uma volta a cada 10.5 pares de bases.
Regra de Chargaff. Por causa do pareamento, o DNA de fita dupla tem A = T e G = C. Se uma amostra tem 30% de A, ela tem 30% de T, e os 40% restantes se dividem igualmente: 20% de G e 20% de C.
| DNA | RNA |
|---|
| açúcar | desoxirribose | ribose |
| bases | A, T, G, C | A, U, G, C |
| fitas | duas, uma dupla hélice | geralmente uma |
Os procariotos guardam o DNA em um cromossomo circular; os eucariotos, em vários cromossomos lineares, enrolados em proteínas histonas no núcleo. Ambos podem ter plasmídeos: pequenos DNAs circulares de fita dupla fora do cromossomo.
replicação
A replicação é semiconservativa: cada nova dupla hélice mantém uma fita antiga e ganha uma nova, construída sobre ela como molde por pareamento de bases.
Na forquilha de replicação, a helicase desenrola a hélice parental, rompendo as ligações de hidrogênio entre as bases. A topoisomerase, à frente da forquilha, alivia a torção causada pelo desenrolamento.
A DNA polimerase adiciona nucleotídeos apenas à extremidade 3′ de uma fita, então uma fita nova cresce somente no sentido 5′→3′. Além disso, ela não consegue iniciar uma fita do nada: precisa de um curto primer de RNA (azul) para continuar a construção.
Os dois moldes correm em sentidos opostos, então as duas fitas novas (vermelho) são feitas de maneiras diferentes:
| fita líder | fita atrasada |
|---|
| direção | em direção à forquilha | para longe da forquilha |
| síntese | contínua, um primer | em pedaços, um primer cada |
Os pedaços da fita atrasada são os fragmentos de Okazaki. Seus primers de RNA são substituídos por DNA, e a DNA ligase sela as lacunas entre eles, formando uma fita contínua.
A DNA polimerase também revisa o que faz, então os erros de replicação são raros, embora nunca zero: os que permanecem são mutações (6.7).
transcrição e processamento do RNA
Na transcrição, a RNA polimerase abre o DNA em um gene e constrói uma cópia de RNA de uma das fitas.
Ela se liga ao promotor, lê a fita molde no sentido 3′→5′ e constrói o RNA no sentido 5′→3′, pareando A com U, T com A, G com C e C com G. Ela para em um terminador. O RNA tem a sequência da outra fita, a fita codificante, com U no lugar de T.
| fita codificante 5′→3′ | ATG TTC GGA AAA TGG TAA |
|---|
| fita molde 3′→5′ | TAC AAG CCT TTT ACC ATT |
|---|
| mRNA 5′→3′ | AUG UUC GGA AAA UGG UAA |
|---|
Três tipos de RNA participam da produção de uma proteína: o mRNA leva a mensagem do gene; o tRNA traz os aminoácidos; o rRNA forma o núcleo do ribossomo.
Processamento. Nos eucariotos, o primeiro transcrito, o pré-mRNA, é modificado no núcleo antes de sair: um cap 5′ (um nucleotídeo de guanina modificado) e uma cauda poli-A são adicionados, protegendo-o e ajudando na tradução, e os íntrons são removidos por splicing enquanto os éxons são unidos. O pré-mRNA abaixo tem 1530 nucleotídeos; seus éxons somam 480.
Por splicing alternativo, um gene pode gerar mRNAs diferentes, e portanto proteínas diferentes, dependendo de quais éxons são mantidos.
tradução
Na tradução, um ribossomo lê um mRNA três bases por vez, um códon para cada aminoácido.
Iniciação. A subunidade menor se liga ao mRNA e encontra o códon de iniciação, AUG; o primeiro tRNA, que carrega metionina, pareia com ele; a subunidade maior se junta.
Alongamento. Cada tRNA tem um anticódon que pareia com um códon e carrega o aminoácido desse códon. Um novo tRNA entra no sítio A; o ribossomo une a cadeia em crescimento ao aminoácido por uma ligação peptídica; o ribossomo avança um códon em direção à extremidade 3′, e o tRNA vazio sai pelo sítio E.
Terminação. Em um códon de parada (UAA, UAG, UGA) nenhum tRNA pareia; um fator de liberação solta o polipeptídio.
| mRNA | AUG | UUC | GGA | AAA | UGG | UAA |
|---|
| aminoácido | Met | Phe | Gly | Lys | Trp | Stop |
|---|
O código é lido na tabela do código genético e é quase universal: os mesmos códons significam os mesmos aminoácidos em bactérias e em pessoas, e por isso um gene humano pode ser expresso em uma bactéria. Ele também é redundante: 61 códons para 20 aminoácidos.
Em procariotos, os ribossomos traduzem um mRNA enquanto ele ainda está sendo transcrito. Os retrovírus, como o HIV, primeiro invertem o fluxo: a transcriptase reversa copia o RNA viral em DNA, que se integra ao genoma do hospedeiro.
regulação da expressão gênica
Uma célula não expressa todos os seus genes o tempo todo. As sequências reguladoras do DNA se ligam a proteínas reguladoras, que aumentam ou diminuem a transcrição.
O óperon lac de E. coli é um óperon: genes de uma mesma função (usar a lactose) sob um só promotor e um só operador, transcritos em um só mRNA. Ele é induzível, normalmente desligado:
| condição | repressor | lacZYA |
|---|
| sem lactose | repressor no operador | off |
| lactose presente | a alolactose mantém o repressor afastado | on |
O repressor, produzido pelo gene separado lacI, fica sobre o operador e bloqueia a RNA polimerase. Quando há lactose, a alolactose (formada a partir dela) se liga ao repressor e muda sua forma; ele se solta, e os genes são transcritos. (A transcrição é mais intensa quando a glicose também está escassa.)
O óperon trp é reprimível, normalmente ligado. Seu repressor é produzido inativo; quando há muito triptofano, ele se liga ao repressor, o repressor se liga ao operador, e os genes de síntese do triptofano se desligam.
As mudanças epigenéticas regulam os genes sem alterar a sequência. A acetilação das histonas afrouxa o DNA enrolado nelas e permite a transcrição; a metilação do DNA geralmente o silencia. Essas marcas são reversíveis e podem ser transmitidas quando as células se dividem.
expressão gênica e especialização celular
Quase todas as células do seu corpo têm os mesmos genes. As células diferem porque expressam genes diferentes.
Um gene eucariótico é ativado por fatores de transcrição. Os fatores gerais ajudam a RNA polimerase a se ligar ao promotor. Ativadores específicos se ligam a acentuadores (enhancers), que podem estar a milhares de bases de distância; o DNA se curva para que o ativador toque a maquinaria no promotor, e a transcrição aumenta. Os repressores se ligam e a bloqueiam.
Na figura: a cromatina está condensada e silenciosa; grupos acetil (vermelhos) afrouxam as histonas; um ativador (azul) se liga ao acentuador, o DNA forma uma alça e os mRNAs são produzidos.
| célula | actin | albumin | insulin | crystallin |
|---|
| liver | on | on | — | — |
| pancreas | on | — | on | — |
| lens | on | — | — | on |
Cada tipo de célula tem seu próprio conjunto de fatores de transcrição e, portanto, seu próprio conjunto de genes e proteínas ativos. Genes que compartilham uma sequência reguladora respondem ao mesmo fator, então um único sinal pode ativar todo um programa de uma vez.
A expressão também é ajustada depois da transcrição: os RNAs pequenos (como os microRNAs) pareiam com certos mRNAs e bloqueiam sua tradução ou os fazem ser destruídos.
mutações
Uma mutação é uma alteração na sequência do DNA. Ela pode mudar a proteína que um gene produz e, assim, o fenótipo.
A figura muta o mRNA AUG GAG UUC AAA UGG GCU UAA, que codifica Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala:
| mutação | códon | proteína |
|---|
| silent | GAG → GAA | Met-Glu-Phe-Lys-Trp-Ala |
| missense | GAG → GUG | Met-Val-Phe-Lys-Trp-Ala |
| nonsense | AAA → UAA | Met-Glu-Phe (stop) |
| frameshift | UUC → CUU | Met-Glu-Leu-Gln-Met-Gly-Leu |
Uma substituição silenciosa muda um códon para outro do mesmo aminoácido. Uma substituição de sentido trocado (missense) muda um aminoácido: GAG → GUG, glutamato para valina, é a mutação da anemia falciforme na hemoglobina. Uma substituição sem sentido (nonsense) cria um códon de parada e encurta a proteína. A inserção ou deleção de uma base é uma mudança no quadro de leitura: todos os códons depois dela são lidos no quadro errado.
As mutações surgem de erros na replicação ou no reparo, e de radiação e substâncias químicas. Elas são aleatórias em relação ao que o organismo precisa; seu efeito pode ser prejudicial, neutro ou benéfico, dependendo do ambiente. Elas são a fonte original da variação genética.
Cromossomos inteiros também mudam: a não disjunção na meiose dá a um gameta um cromossomo a mais ou a menos, como na trissomia do 21 (síndrome de Down). As bactérias também ganham genes lateralmente: transformação (captação de DNA), transdução (levado por um vírus), conjugação (de célula para célula) e transposição (genes que se movem dentro de um genoma).
biotecnologia
Quatro métodos de laboratório decorrem do que o DNA é.
A eletroforese em gel separa o DNA por tamanho. O DNA é negativo (por causa dos fosfatos), então, em um campo elétrico, ele corre para o polo +; o gel retém mais os fragmentos longos que os curtos, e assim os mais curtos viajam mais longe. Um marcador de peso molecular (ladder) de tamanhos conhecidos é aplicado ao lado das amostras. A distância diminui de forma constante com o logaritmo do tamanho:
| tamanho (pb) | 1500 | 1000 | 700 | 500 | 300 | 200 | 100 |
|---|
| distância (mm) | 10.7 | 16.0 | 20.6 | 25.0 | 31.7 | 37.0 | 46.0 |
|---|
Uma banda a 27.9 mm do poço fica entre as bandas de 500 e 300 pb; lendo-a na reta, obtém-se cerca de 400 pb. Na figura, as bandas da amostra da cena do crime coincidem com as do suspeito 2.
A PCR (reação em cadeia da polimerase) copia um trecho escolhido de DNA: aquece-se a 95 °C para separar as fitas, resfria-se a cerca de 55 °C para que os primers se liguem dos dois lados do alvo e, depois, a 72 °C para que uma DNA polimerase resistente ao calor os estenda. Cada ciclo dobra o alvo: 5 ciclos transformam uma cópia em 32, e 30 ciclos em cerca de 1.07 bilhões.
A transformação bacteriana coloca um gene em bactérias por meio de um plasmídeo, muitas vezes com um gene de resistência a antibiótico, de modo que só as células transformadas cresçam em uma placa com o antibiótico.
O sequenciamento de DNA lê a ordem das bases.
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