TEMASPROPOSTASNMERO 7

DE*

PARA

DESENVOLVER JANEIRO DE 1998

BIOLOGIAEM SALA DE AULA EDITORA MODERNA

TEMAS FUNDAMENTAIS: CDIGO GENTICO E SNTESE DE PROTENASJ. M. Amabis e G . R. Martho

TRABALHANDO

U

m dos assuntos que mais desafiam o professor de ensino mdio o mecanismo de fabricao das protenas sob o comando dos genes, ou seja, o sistema de codificao gentica e suas implicaes. Para entend-lo, alm de conhecer as estruturas dos cidos nuclicos e das protenas, os estudantes tm de ser capazes de relacionar seqncias de bases do DNA com o fentipo do organismo, o que exige grande esforo de abstrao. Pensando nisso, apresentamos duas atividades que tornam mais concreto o sistema de codificao gentica e que, por seus aspectos ldicos, motivam os estudantes a aprender esse tema, de fundamental importncia para a compreenso do fenmeno da vida.

A decifrao do cdigo gentico por Nirenberg, Ochoa e Khorana, no incio de 1960, foi uma das mais espetaculares descobertas cientficas do sculo XX. O cdigo gentico um sistema de armazenamento de informaes hereditrias, as quais comandam todo o funcionamento celular. A decifrao do cdigo gentico mostrou que o controle do metabolismo das clulas fundamentalmente o mesmo desde as bactrias at a espcie humana, reforando as evidncias de que todos os seres vivos atuais tiveram ancestrais em comum. Na maioria dos organismos, as informaes que comandam o funcionamento celular esto inscritas em molculas de DNA. As "letras" do cdigo gentico so os quatro tipos de bases nitrogenadas: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). As unidades de informao do cdigo, comparveis a palavras, so os genes. Um gene um segmento de DNA em que a seqncia dos quatro tipos de bases nitrogenadas (digamos, AAATCGCCT) apresenta determinado significado funcional. Por exemplo, a presena de pigmentao na pele, no cabelo e nos olhos deve-se existncia, em nosso DNA, de uma certa seqncia de bases especfica, na qual reside a informao para a fabricao do pigmento melanina. Pessoas que apresentam DNA com alteraes nessa seqncia de bases so albinas. Para se expressarem, as informaes inscritas no DNA tm de ser primeiramente transcritas para molculas de RNA. As duas cadeias que compem o DNA separam-se e apenas uma delas orienta a formao de uma cadeia de RNA, para a qual transcrita a informao codificada no gene. No RNA no existe timina; em seu lugar est presente a base uracila (U). A regra da transcrio : onde houver A no DNA, haver U no RNA; onde houver T no DNA, haver A no RNA; onde houver C no DNA, haver G no RNA e onde houver G no DNA, haver C no RNA. A seqncia AAATCGCCT no DNA, por exemplo, transcrita para UUUAGCGGA no RNA. Qual o destino de um RNA para o qual foi transcrita a informao contida no gene? Alguns genes produzem molculas de RNA capazes de se ligar a aminocidos (RNA transportador); outros tipos de RNA faro parte da estrutura dos ribossomos (RNA ribossmico); outros, ainda, comandaro a ordenao dos aminocidos para a fabricao das protenas celulares (RNA mensageiro).*

A maioria dos genes transcreve suas informaes para molculas de RNA mensageiro. Estas, por sua vez, comandam a sntese das protenas celulares. O RNA mensageiro contm suas informaes organizadas em trincas de bases, os cdons. Cada cdon corresponde a um aminocido, e a seqncia de cdons determina a seqncia de aminocidos (estrutura primria) que a protena ter. Alm de serem constituintes fundamentais da estrutura celular, grande nmero de protenas atua como enzimas, catalisando a maioria das reaes qumicas vitais. por meio das protenas, portanto, que os genes controlam praticamente todas as caractersticas fenotpicas dos seres vivos. Neste folheto apresentamos duas atividades que podem ajudar os estudantes a compreender melhor os princpios da codificao gentica e da sntese de protenas. Ambas envolvem a utilizao de modelos, que concretizam parte do longo caminho que h entre a informao codificada pelo gene e o fentipo manifestado por um ser vivo.

Modelo em papel utilizado na simulao dos principais passos da sntese de protenas sob o controle dos genes.

Professor do Departamento de Biologia do Instituto de Biocincias da Universidade de So P aulo

PROPOSTAS PARA DESENVOLVER EM SALA DE AULA

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SUGESTES DE ATIVIDADESNas pginas seguintes apresentamos as informaes necessrias realizao de duas atividades . Uma delas (abaixo) sugere a teatralizao da sntese de protenas. Alm de motivar a maioria dos estudantes e esclarecer pontos de difcil compreenso, esse tipo de atividade permite integrar diversos tipos de habilidade (incluindo a expresso corporal) ao processo de aprendizagem. A segunda atividade consiste em utilizar modelos de papel para simular as principais etapas da sntese de protenas. Isso torna mais concretos determinados processos bioqumicos e permite que, durante a manipulao das peas, os estudantes tenham bastante tempo para refletir sobre os princpios biolgicos envolvidos. Cada estudante ou grupo de estudantes deve receber xerocpias da pgina de atividades e das duas pginas com desenhos para recortar. necessrio, tambm, utilizar uma tabela de codificao gentica, como a que foi fornecida no Temas de Biologia n o 6. Mais detalhes constam da prpria pgina de atividades dirigida aos estudantes. As atividades deste folheto sero mais bem aproveitadas se os estudantes j dominarem os conceitos referentes composio de cidos nuclicos e de protenas, e tambm os princpios bsicos da codificao gentica. Em nossas obras de Biologia esses assuntos podem ser encontrados nos seguintes volumes:AMABIS, J. M. & MARTHO, G. R. Fundamentos da Biologia moderna, So Paulo, Ed. Moderna, 1997: Estrutura qumica de protenas e enzimas (pgs. 91-97); Estrutura qumica dos cidos nuclicos (pgs. 102-103); Genes, cdigo gentico e sntese de protenas (pgs. 152-158).

Biologia das clulas (vol. 1),

So Paulo, Ed. Moderna, 1994:

Estrutura qumica de protenas e enzimas (pgs. 89-98); Estrutura qumica dos cidos nuclicos (pgs. 99-100); Os genes e o controle do metabolismo (pgs. 311-327).

Biologia dos organismos (vol. 3), So Paulo, Ed. Moderna, 1994: Do gentipo ao fentipo: como se expressam os genes (pgs. 158-173).

TEATRALIZANDO A SNTESE DE PROTENAS MATERIAL NECESSRIO 7 retngulos de papel-carto branco (+ 20 x 30 cm) 5 pedaos de papel-carto de cores diferentes (+ 30 x 40 cm) 7 metros de fio de nilon grosso, tipo fio de pedreiro 4 esferas de isopor (+ 10 cm de dimetro) Canudinhos plsticos de refrigerante Cola plstica ou epxi Fita adesiva e cola para papel Tinta plstica de diferentes cores

PROCEDIMENTOSConstrua um modelo do RNAm colando os sete retngulos de papel-carto lado a lado com fita adesiva. Em seguida, cole a tira de cartes em dois fios de nilon, deixando cerca de 50 cm de fio livre em cada extremidade. Escreva em cada carto um cdon. A seqncia sugerida : AAG - AUG - GCC - ACA - UUC - UGA CAU. Sublinhe os cdons AUG (de incio) e UGA (de trmino), por se tratar de cdons especiais. Desenhe, em cada pedao de papel-carto colorido, modelos dos RNAt e do fator de terminao. Faa desenhos semelhantes aos da atividade das pginas seguintes. Escreva, nos RNAt, as trincas UAC, CGG, UGU e AAG. Elas representam os anticdons. Perfure as esferas de isopor ao longo do dimetro com um arame aquecido e ajuste no furo um canudo plstico, cortando o que sobrar; se necessrio, use cola plstica para fixar os canudos. Eles facilitam a passagem do fio de nilon, que servir para manter unidas as esferas. Escreva em cada esfera a abreviatura de um aminocido (Met, Ala, Thr, Phe). Passe um pedao de fio de nilon (80 cm) pelo furo da esfera identificada por Met e d um vrios ns em uma das pontas do fio, de modo que a esfera no escape por ela. Pinte cada esfera com uma cor semelhante do carto do RNAt correspondente (UAC = Met; CGG = Ala; UGU = Thr; AAG = Phe). Distribua os modelos dos RNAt para quatro estudantes e solicite que cada um pegue a esfera com o aminocido correspondente. Um quinto estudante ficar com o modelo do fator de terminao. 2 PROPOSTAS PARA DESENVOLVER EM SALA DE AULA

Mais dois estudantes devem segurar o modelo de RNAm feito com os sete retngulos pelas pontas dos fios de nilon, mantendo-o esticado e de frente para a classe. Outro estudante simular o ribossomo, colocando-se atrs do RNAm, junto sua extremidade esquerda (de que olha da classe). A partir da ele deve se deslocar para sua esquerda at encontrar o cdon de incio. O estudante que representa o RNAt da metionina deve colocar -se atrs do RNAm, direita do estudanteribossomo e tendo sua frente o cdon AUG. O estudante-ribossomo deve ento erguer os braos, indicando que os stios P e A, onde se alojam os RNAt, se tornaram disponveis. O estudante-RNAt da metionina ficar sob o brao direito do estudante-ribossomo. O passo seguinte a colocao do estudante-RNAt da alanina sob o brao esquerdo do estudante-ribossomo, tendo sua frente o cdon GCC. O estudante-ribossomo passa o fio de nilon pelo furo da alanina, unindo-a metionina. O estudante-RNAt da metionina solta seu aminocido e afasta-se, encerrando sua participao. O estudante-ribossomo anda para a esquerda e coloca o brao direito sobre o estudante-RNAt da alanina, ficando com o brao esquerdo livre. O estudante-RNAt da treonina coloca-se sob o brao esquerdo do estudante-ribossomo, tendo sua frente o cdon ACA. O fio de nilon passado pelo furo da esfera que representa a treonina, adicionando-a cadeia polipeptdica. O processo repete-se at que o estudante-ribossomo chegue ao cdon UGA, onde entra o estudante-fator de terminao. O ltimo estudante-RNAt deve soltar o conjunto de esferas que representa a protena. O estudante-ribossomo afasta-se do RNAm e o processo termina.

Amabis e Martho/Editora Moderna - Reproduo autorizada

ATIVIDADE:Nome:

TRABALHANDO COM UM MODELO PARA A SNTESE DE PROTENASSrie:

O objetivo desta atividade facilitar a compreenso do mecanismo da sntese de protenas pela utilizao de modelos de papel. Estes representam os principais participantes da sntese de protenas: RNA mensageiro (RNAm), ribossomo, diversos tipos de RNA transportador (RNAt), fator de terminao e aminocidos. A atividade consiste em simular, passo a passo, os mecanismos que levam ao encadeamento dos aminocidos da protena sob o comando do RNA mensageiro.

MATERIAL

NECESSRIO

Tesoura e/ou estilete Cola (de preferncia em basto) 11 miniclipes Folhas para recortar com desenhos do mRNA, do ribossomo, dos aminocidos, dos tRNA e do fator de terminao (xerox) Painel de isopor ou de cortia (opcional) Alfinetes de mapa ou percevejos (opcional) Lpis ou canetas hidrogrficas coloridos (opcional)

ORIENTAES GERAIS Com tesoura ou estilete recorte, das folhas de desenhos, os modelos do RNAm, do ribossomo, dos aminocidos, dos RNAt e do fator de terminao. Note que o RNAm est dividido em dois pedaos, que precisam ser unidos. Para isso, siga as instrues da folha de desenhos e una os dois pedaos com cola. Pode-se tambm colorir os modelos para que sejam mais facilmente reconhecidos. A montagem do modelo pode ser feita sobre uma superfcie plana ou fixando-se as peas em um painel de isopor ou cortia por meio de alfinetes de mapa ou percevejos. PASSO A PASSO DA SNTESE DE PROTENASU

1

Met

1. Sua primeira tarefa, antes de iniciar a sntese de protena, consiste em ligar, por meio de um miniclipe, cada RNAt extremidade carboxila (cinza) do aminocido correspondente. Para isso, consulte uma tabela de codificao gentica, lembrando, porm, que geralmente as tabelas se referem aos cdons (trincas de bases no RNAm) dos aminocidos. necessrio "traduzir" os cdons para os anticdons do RNAt. Por exemplo, se o cdon para a metionina AUG, a trinca do RNAt correspondente UAC. 2. Alinhe o RNAm na subunidade menor do ribossomo, de maneira que o cdon de incio fique exatamente embaixo do stio P, na subunidade maior do ribossomo. Posicione o RNAt da metionina no stio P do ribossomo de modo que seu anticdon se encaixe ao cdon de incio. esse encaixe que marca o comeo da sntese de protena. 3. Encaixe o RNAt que corresponde ao cdon localizado sob o stio A. O aminocido transportado por esse RNAt ser o segundo da cadeia polipeptdica. Solte a metionina de seu RNAt e cole sua extremidade carboxila (cinza) extremidade amina (branca) do segundo aminocido. 4. Deslize com cuidado o ribossomo para a direita. Percorra uma distncia correspondente a trs bases, mantendo encaixados os cdons e os anticdons. O RNAt da metionina fica fora do ribossomo; o segundo RNAt, com os dois aminocidos unidos, passa a ocupar o stio P; o stio A fica vazio. Encaixe o RNAt que corresponde ao cdon localizado sob o stio A. Solte a dupla de aminocidos (dipeptdio) do RNAt localizado no stio P e cole a extremidade carboxila livre extremidade amina do terceiro aminocido. 5. Repita o procedimento anterior at que o cdon de trmino passe a ocupar o stio A do ribossomo. O encaixe do fator de terminao determina o fim da mensagem gentica para a protena, que se desliga do ltimo RNAt e est pronta para atuar.

2

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U A C A G A U G C U U U C G C A A U U G C C

3Le u

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CG A A

A G A U G C U U U C G C A A U U G C C

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Fator de terminao

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PROPOSTAS PARA DESENVOLVER EM SALA DE AULA

3

Folha para recortarAmabis e Martho/Editora Moderna - Reproduo autorizada

RNA mensageiro

Parte 1

Parte 2

Ribossomo

G

AUne-se extremida de da Parte 1

Stio P Stio A

G A U G C U U U C G C A A U U G C C U

G C

Pro

4 PROPOSTAS PARA DESENVOLVER EM SALA DE AULA

Extremidade amina

Extremidade carboxila

Cdon de incioColar

A A A U U U C U U A C UCdon de trmino

Stio do RNAm

Aminocidos Met Gly

Leu

Lys

Ser

Phe

U Gln Leu A G Leu Thr C U

Amabis e Martho/Editora Moderna - Reproduo autorizada

Folha para recortar Molculas de RNA transportador e fator de terminao

A C G

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A

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Fator de terminao

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PROPOSTAS PARA DESENVOLVER EM SALA DE AULA

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