TEXTO 1 – GENÉTICA MOLECULAR

1.1. Introdução

Ao se analisar um indivíduo, seja uma planta, seja um animal, o que se vê é o

conjunto de fatores que ao agirem, cada um a seu tempo, produzem o que se denomina fenótipo. Esse conjunto é composto pelos componentes celulares, sobretudo pelo núcleo, além de um componente chamado ambiental.

O núcleo é o que age de forma decisiva na expressão do fenótipo, ou aparência do indivíduo, pois ele contém o que se denomina a molécula da vida, ou DNA.

Mas o que tem esse DNA que faz com que as ervilhas de Mendel sejam amarelas ou verdes, lisas ou rugosas? Que o feijão tenha flores roxas ou brancas e que suas sementes sejam pretas, marrons ou brancas? O que tem esse DNA que faz o animal engordar mais rápido num bom pasto, em relação a outros animais que não engordam tanto com a mesma forragem? Que estruturas moleculares contribuem para fazer com que esse fenótipo se manifeste diferentemente em épocas específicas de desenvolvimento dos indivíduos? O que faz que tecidos de crescimento vegetativo se transformem em reprodutivo e, por último, como isso passa através das gerações?

A Genética Molecular consegue responder a essas questões, inclusive estabelecendo relações com a Fisiologia Vegetal. Como se trabalha apenas com exemplos vegetais tentar-se-á usá-los, em sua maioria, para explorar essas questões e evidenciar a importância de se conhecer intimamente o DNA, sua composição e sua transmissão através das gerações.

1.2. O Gene e a enzima

Ao se cruzar cultivares de feijão (Phaseolus vulgaris L.) que têm flores brancas, que

sejam homozigotas, obtém-se a primeira geração filial, a F1, com flores de cor púrpura. Sabe-se que a geração F1 é, por excelência, heterozigota, derivada do cruzamento entre paternais homozigotos, portanto possui em seu genótipo as duas formas alélicas em todos seus genes.

Ao se cruzar as plantas da F1 entre si obtém-se a geração F2, onde se percebe que a proporção de flores púrpuras para brancas é de 9:7. Com essa proporção chega-se a concluir que são dois genes que estão agindo para a manifestação do fenótipo e que o produto protéico resultante possui uma interação do tipo Epistasia (Ver Texto 5).

É de conhecimento que na epistasia um alelo de um gene pode inibir o outro, ou que, quando os dois alelos ou apenas um de um gene não está presente no genótipo, o fenótipo fica alterado. Para melhor se entender a proporção epistática mencionada citar-se-á abaixo sua composição genotípica, usando simbologia aleatória.

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Quadro 1.1 – Demonstração do genótipo, fenótipo e proporção epistática em F2 com dois genes interagindo entre si

Número Genótipo Fenótipo Proporção Epistática 9 A- B- púrpura 9 3 A- bb branca

7

3 aa B- branca 1 aabb branca

Portanto para a produção da cor púrpura os dois alelos dominantes A e B deverão

estar nos mesmos indivíduos. Na falta de um deles a cor passa a ser branca. O que têm então esses dois alelos para produzirem a cor púrpura?

A cor das flores depende dos pigmentos que são produzidos e esses derivam de rotas metabólicas específicas de transformações de substratos. E a transformação dos substratos depende de enzimas. As enzimas são proteínas com atividade catalítica constituídas de sequências de aminoácidos. Para que a seqüência de aminoácidos funcione como uma enzima é necessário ter um informação prévia que dite onde se colocará a alanina ou a serina, se a metionina deve ou não ficar na sequência. E quem determina isso tudo é o DNA que é constituído de um conjunto ordenado de nucleotídeos, que são os precursores para a formação das cadeias de proteínas.

Na década de 50 a estrutura da molécula de DNA foi descoberta por Watson e Crick que estabeleceram um modelo de conformação dessa molécula que se encontra no núcleo das células dos vegetais e animais, nos seres humanos e procariontes (há vírus que tem o RNA como material genético no lugar do DNA). O modelo da estrutura do DNA atualmente é muito divulgado dada sua grande importância em todas as áreas relacionadas com a Biologia, como a Física, a Química, a Bioquímica e a Fisiologia Vegetal. Pode-se nesse momento dizer que genes e enzima estabelecem um par perfeito para o funcionamento celular pois um está em estreita relação com o outro. 1.3. Constituição do DNA

O DNA é constituído pelo açúcar (desoxirribose), o fósforo (H3PO4) e bases

nitrogenadas (Púricas - Adenina e Guanina e Pirimídicas - Citosina e Timina). O açúcar e o fósforo constituem o que se chama de corrimão e as bases nitrogenadas

ligadas entre si, duas a duas, os degraus de uma escada imaginária enrolada de forma helicoidal. A molécula de DNA possui filamento duplo.

1.3.1. As ligações no DNA

As ligações entre a molécula de fósforo e o açúcar é do tipo fosfodiéster. O fósforo (-

PO4) liga-se ao carbono 5 do açúcar de um nucleotídeo e ao carbono 3 do nucleotídeo subseqüente. Portanto, ao longo de um dos filamentos do DNA, a ligação é 5’>>> 3’. Sendo o DNA uma molécula dupla o outro filamento possui a ligação, entre o fósforo e o açúcar, na seqüência 3’ >>> 5’. Diz-se então que os filamentos são Antiparalelos.

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Para manter ambos os filamentos unidos os degraus da escada, que são as bases nitrogenadas, estão ligadas entre si por pontes de hidrogênio. As bases nitrogenadas possuem uma ordenação específica de ligação. A Adenina liga-se com 2 pontes de hidrogênio a Timina e a Citosina com 3 pontes a Guanina. Esse pareamento é constante, apenas as quantidades se alteram.

Toda molécula de DNA, num organismo, encerra a informação para o desenvolvimento desse mesmo organismo. A cor do hipocótilo, a posição e a pigmentação das folhas, das flores, o tamanho das vagens ou das espigas, o peso das sementes, a produtividade são característica determinadas pelos genes que estão no DNA. E, além disso, possui também a informação para a produção de enzimas que irão desdobrar os substratos no interior das células, para que essas características possam se manifestar.

Portanto a molécula de DNA tem o que se denomina de gene. Se o gene está presente a característica que ele determina aparecerá. Se a sua forma alélica estiver presente no genótipo, outra característica se manifestará, dependendo do tipo de interação que estiver envolvido esse gene.

Então para se responder como a cor púrpura é produzida deve-se levar em consideração que um alelo dominante de um gene A deve estar presente. Esse alelo, no DNA, possui a informação, codificada na sequência e bases nucleotídicas, que produz uma enzima que transforma o substrato 1 em 2. Assim como, no outro gene B, o alelo dominante também deve estar presente para haver a transformação do substrato 2 em 3. O substrato 3 é o que produz a cor púrpura.

Em resumo:

alelo A alelo B

EA EB

substrato 1 >>>>>>>>>substrato 2 >>>>>>>> substrato 3 (incolor) (branco) (púrpura)

Caso um desses alelos não esteja presente no indivíduo a cor será branca, porque

haverá bloqueio na rota metabólica, conforme esquema abaixo: alelos aa alelos B- alelos A- alelos bb

ou

Ea EB EA Eb

incolor >>>>> branco >>>>>branco incolor >>>>> branco >>>>>>branco (1) (2) (1) bloqueio da primeira etapa da rota metabólica. (2) bloqueio na segunda etapa da rota metabólica.

Se for considerada uma planta, em princípio, pode-se dizer que todas as

suas células possuem o mesmo conteúdo genético, portanto o mesmo número de

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cromossomos e genes. Esta informação é válida, porém várias alterações cromossômicas são passíveis de acontecer. Por exemplo, as células dos vasos condutores não possuem mais núcleo e as células das folhas podem ter mais de 2 genomas, entretanto quando se refere às reprodutoras, aí sim elas possuem o mesmo número cromossômico (são haplóides), salvo algum problema provocado por mutagênicos. Mas como pode cada geração possuir a mesma informação genética contida no DNA? 1.4. A Duplicação do DNA

As pesquisas sobre o comportamento do DNA foram elaboradas inicialmente em bactérias, principalmente em Echerichia coli, mas devido ao comportamento celular dos eucariontes ser semelhante, inferiu-se o modelo de conformação e de duplicação do DNA para todos os organismos. A própria conformação da estrutura da molécula de DNA pressupõe sua duplicação.

Para entender como e porque o DNA se duplica é necessário dividir-se o ciclo de vida de uma célula em duas partes: a interfase e a divisão celular, conforme esquema abaixo:

interfase divisão celular

É na interfase que os genes se expressam, pois ocorre a diferenciação celular.

O período de interfase pode ser subdividido em três subperíodos: G1, S e G2. Ambos subperíodos, G1 e G2, derivam da primeira letra da palavra gap, que, em inglês significa parada. No período G1 são produzidas enzimas para o crescimento e diferenciação celular, e enzimas que atuarão sobre o DNA no subperíodo seguinte. Neste estágio o DNA recebe o nome de cromatina. Ela está desespiralizada permitindo a expressão fenotípica do gene, através de uma outra macromolécula denominada RNA.

No período S (Síntese) é onde ocorre a duplicação de toda molécula do DNA. Enzimas específicas já produzidas agem sobre o DNA fazendo sua duplicação.

Esse processo, como não poderia deixar de ser, é de forma ordenada. Nas extremidades e ao longo do DNA, ao mesmo tempo, proteínas começam a agir desenrolando os filamentos, são as chamadas DNA-topoisomerases. A DNA-girase, que é uma delas, provavelmente faça o DNA girar de forma contrária ao seu enrolamento natural, provocando o afrouxamento dos dois filamentos. A DNA-helicase provavelmente quebre as pontes de hidrogênio no local de origem da duplicação. Com o afrouxamento dos fios de DNA a principal enzima de duplicação poderia agir. É a DNA- polimerase.

1.4.1. A Duplicação do DNA é semiconservativa

A DNA polimerase coloca novos nucleotídeos apenas diante de um molde de DNA.

Portanto um dos filamentos dos novos DNA’s será velho e outro será novo, por isso a denominação semiconservativo.

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Para a DNA-polimerase iniciar sua atividade necessita de uma extremidade livre 3’OH, que é gerada por ela mesma com a colocação de um primer (pequeno segmento de RNA ou de DNA, também chamado de “disparador”). Esse primer é colocado na extremidade 3’ da cadeia molde. A partir daí a DNA-polimerase sintetiza novos nucleotídeos. Esse primer posteriormente é retirado pelo processo enzimático de correção, feito pela própria DNA-polimerase.

A DNA-polimerase só funciona diante de um molde, cuja polaridade é 3’>>>5’. Se os fios do DNA são antiparalelos como agiria a DNA-polimerase no molde 5’>>>3’? Vários modelos de duplicação foram propostos pelos pesquisadores moleculares. O modelo “faca” e o “descontínuo” foram os primeiros, entretanto o modelo descontínuo ganhou maiores evidências (Gardner, 1975) .

O modelo descontínuo prevê que o filamento original da polaridade 3’>>>5’ seja duplicado continuamente (filamento leading) e o filamento 5’>>>3’ de forma descontínua (filamento leaging). Para isso a DNA-polimerase sintetiza um primer no local de origem da duplicação, junto ao filamento 5’>>>3’ e a partir daí sintetiza o novo filamento dirigindo-se para o lado oposto da origem da duplicação. Esse modelo tem-se mantido até então, desde que R. Okazaki o concebeu. Os fragmentos no fio leaging formados receberam o nome do descobridor – Fragmentos de Okazaki.

Além dessa importante ação enzimática sobre o DNA para sua duplicação, no período S da interfase, salienta-se que no final de todo o processo a quantidade de DNA fica duplicada. Portanto pode-se afirmar que as cromátides-irmãs, dos cromossomos homólogos são produzidas neste subperíodo. Essas cromátides-irmãs dividir-se-ão nas fases de anáfase e anáfase II, da mitose e meiose, respectivamente (ver Transmissão dos genes entre gerações), levando as gerações seguintes a mesma informação. Geração essa que pode ser celular, no mesmo tecido, no mesmo indivíduo, por exemplo, tecido meristemático, como geração populacional.

1.5. O Processo de Expressão Fenotípica

O DNA pode ser copiado em novo DNA, como processo acima descrito, ou ser

copiado para uma nova macromolécula chamada RNA (ácido ribonucleico). Se se entender o genes como uma conta, o DNA pode ser entendido como um “colar

de contas”. Os genes desta forma estão dispostos linearmente ao longo de todo DNA. Hoje se sabe que nem todos os genes se transformam em proteínas para originarem

fenótipos. Há genes nos eucariontes que não funcionam. Esses já funcionaram durante o processo de evolução da espécie ou poderão funcionar permitindo sua readaptação a ambientes modificados, como tem acontecido nos últimos tempos.

Há no genoma sequências de genes não repetidas e sequências altamente repetitivas decorridas de processo de duplicação ao longo da evolução. A maioria dos genes estruturais estão nas sequências não repetitivas produzindo as proteínas. Em ervilha cerca de 15% do DNA é constituído de cópias únicas ou com pouca repetição (Mantel et al, 1994). Esses autores citam que o DNA altamente repetitivo forma a heterocromatina nos centrômeros dos cromossomos.

Ao longo do DNA existem genes que controlam genes. São chamados de controladores ou reguladores. Esses genes produzem proteínas que se ligam ou se desligam do DNA permitindo a produção ou não de proteínas pelos genes estruturais.

Os genes estruturais são os que realmente produzem enzimas que entrarão nas rotas metabólicas para a transformação de substratos e, por consequência, a caracterização do fenótipo. Por isso pode-se afirmar que esses são os genes que se transformam em

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fenótipos. Entretanto, para a manifestação do fenótipo, outras estruturas são necessárias. São os RNA’s. Três RNA’s são os mais salientados para que os genes estruturais possam funcionar, o RNA mensageiro, o RNA ribossômico e o RNA transportador.

Todos esses RNA’s são copiados do DNA pelo processo enzimático, entretanto cada um tem forma e função especifica.

Os RNA’s ribossômicos (RNAr) são produzidos na região organizadora do nucléolo e se constitui na maior quantidade de RNA celular. Originam os ribossomos através do enrolamento da fita de RNA e pode ser encontrado, a nível celular, no retículo endoplasmático formando o retículo endoplasmático rugoso. Possuem a função de reunir o RNAm e o RNAt e os aminoácidos no processo de tradução.

Os RNA’s transportadores (RNAt) são estruturas mais simples de RNA e possuem a forma de trevo. Sua função é carregar os aminoácidos livres no citoplasma para os ribossomos. O RNAt possui o que se denomina de anticódon. São três bases ribonucleotídicas numa das extremidades da molécula que tem estreita relação com o aminoácido que será carregado numa das alças do trevo.

O RNA mensageiro (RNAm) é de forma linear e é um transcrito de uma das fitas do DNA, ou mais especificamente, do(s) gene(s) estrutural(is).

Por um processo semelhante o da duplicação do DNA o RNA é produzido sendo mediado pela enzima RNA polimerase DNA dependente e esse processo chama-se transcrição.

1.5.1. A transcrição

A transcrição é o processo de copiar o DNA para o RNA. Isto é um processo normal

na célula, porque o RNA é uma molécula pequena, em relação ao DNA, e, portanto, pode-se locomover através dos poros da carioteca, indo do núcleo para o citoplasma, mais especificamente, para o retículo endoplasmático rugoso.

Na transcrição pode-se dizer que os genes são “escolhidos” para serem transcritos, dependendo do órgão em que estiverem e do estágio de desenvolvimento do vegetal. Genes da raiz não se manifestarão nas folhas e vice-versa, dada a especificidade do tecido vegetal.

No ponto onde o gene ou grupo de genes se encontram os filamentos do DNA se afrouxam e a RNA polimerase liga-se ao sítio promotor. Esse sítio permite a síntese, porém, quando o gene não deve ser transcrito o sítio promotor não permitirá a ação a RNA polimerase.

Essas regiões, ditas promotoras, possuem sequências de bases constante em todos os organismos, apresentando somente pequenas variações e são chamadas de TATA box

porque são ricas em adenina e timina (TATAATG em bactérias e TATAAAT em eucariontes). Elas podem ser chamadas, respectivamente de Pribnow box e Hogness box, lembrando os pesquisadores que as encontraram.

As regiões promotoras encontram-se sempre antes do trecho que será copiado do DNA para o RNAm, é nesse local que a RNA polimerase se liga. O local dessa região é variável; pode estar de 5 a 10 bases antes da região codificante, para alguns autores. Outros citam, no caso da zeína no milho, estar a região promotora, cerca de 20 a 30 bases antes do gene estrutural (Mantell et al, 1994).

Outra sequência também conhecida que participa do controle da síntese de proteínas é a região chamada CATA box. Está localizada, no caso da zeína, no milho, cerca de 70 a 80 bases antes do local da síntese.

A partir desse sítio a RNA polimerase inicia o processo de transcrição da fita de DNA copiando-a de forma complementar, apenas com duas alterações: uma nas bases, a

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base nitrogenada que irá parear com a adenina será a uracila e a outra é no açúcar, que é uma ribose. Dessa forma simples o RNA mensageiro vai se formando, até que a RNA polimerase encontre o ponto de término da transcrição. A direção dessa síntese é da extremidade 5’ >>>3’ da molécula de DNA.

Guilfoyle e Malcolm em 1980 (citado por Mantell et al, 1994) isolaram a enzima RNA polimerase em embriões de soja, enquanto Jendrirak (1980), citado pelos mesmos autores, a isolou em trigo. Isto foi a confirmação da analogia do que ocorre entre os processos de transcrição em organismos diferentes, no caso a soja e o trigo.

Deve-se aqui por uma ressalva: nos eucariontes o RNA produzido da forma acima descrita recebe, atualmente, o nome de pré-RNA, pois ele contém partes que irão se transformar em proteínas e partes que não fazem parte das proteínas, naquele momento.

Após a produção do pré-RNA algumas transformações devem ocorrer para que ele possa atravessar a carioteca e ir até os ribossomos. Essas modificações são necessárias porque grande parte dos genes eucariontes é interrompida. Entretanto, a RNA polimerase copia todo segmento, indiscriminadamente, do DNA para formar o pré-RNA. As transformações posteriores são para que passe somente cheguem ao citoplasma, partindo do núcleo, as informações na forma de bases nucleotídicas que codificarão a proteína. As estruturas no pré-RNA que se transformarão em proteínas se chamam exons e segmentos que não são traduzidos que se denominam de introns. 1.5.2. Transformações no pré-RNA

Quatro etapas são importantes para a transformação do pré-RNA em RNAm:

a) Retirada dos introns. Os introns não deverão passar para o

citoplasma, porque não irão ser traduzidos em proteína. Isto é o que se denomina de economia celular.

b) Ligação dos exons. Os exons ligados originarão a sequência correta de nucleotídeos que é a informação para originar a cadeia polipeptídica.

c) A adição do CAP. Uma molécula de 7-metil-guanosina é adicionada na extremidade 5’ do pré-RNA com a finalidade de direcionar o RNAm até os ribossomos.

d) A adição da cauda de Poli A. Várias sequências de adenina são adicionadas na extremidade 3’.

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Figura 1.1 Formas de produção de RNAm a partir de diferentes exons que ocorre em

diferentes tecidos vegetais (Alternative splicing) (Fonte: http://pandasthumb.org/images/altsplice.jpg)

Após essas transformações, que ocorrem ainda dentro do núcleo, o RNAm está pronto

para ir até o retículo endoplasmático e iniciar o processo de tradução. Nem todos os organismos têm como material genético, o DNA de filamento duplo. Há

vírus que possui moléculas de RNA como material genético. Um exemplo é o TMV, vírus do mosaico do tomate, que é um retrovírus. Antes desse vírus infectar a planta ocorre a produção do DNA a partir do seu RNA usando a enzima chamada transcriptase reversa. A partir daí fixa-se sobre a folha e injeta seu DNA no interior da célula hospedeira, que possui DNA normal de filamento duplo e após a célula passa a trabalhar com as informações genéticas injetadas pelo vírus.

1.5.3. A tradução

O processo de tradução é o de transformar a informação que o RNAm tem em proteína.

Para isso os três elementos, RNAm, RNAt e RNAr se encontram formando um só conjunto. O RNAr já fixado no retículo endoplasmático possui dois sítios: o sitio A, também

chamado de anterior ou amino-acil e o sítio P, posterior ou peptidil. A entrada do RNAm se dá no sítio A, que é reconhecido pelo CAP na extremidade 5’.

Nesse sítio o RNAm expõe o seu primeiro códon (conjunto de três nucleotídeos). Neste instante o RNAt, livre no citoplasma, e que possui o anticódon, é ativado para encontrar o aminoácido correspondente a informação do códon.

A ativação do aminoácido específico se dá através da enzima aminoacil tRNA sintetase e demanda uma reação com ATP. O resultado é um aminoácido adenilado com energia para fixar-se ao RNAt. Quando essa reação ocorre há liberação de energia e o RNAt está carregado com o aminoácido. Esse é levado até o ribossomo. Há então o pareamento do códon com o anticódon no sítio A. A partir de agora a fita do RNAm anda dentro do ribossomo. Com esse movimento o par códon-anticódon passa do sítio A para o sítio P e novo códon é exposto no sítio A para que outro RNAt seja ativado e traga outro aminoácido. Quando ambos os sítios, A e P, estão ocupados com as duplas códons-anticódons ocorre ligação entre os resíduos de aminoácidos. Com o deslocamento, mais uma vez, ocorre a liberação do RNAt do sítio P e o do sítio A passa para o P. Dois resíduos de aminoácidos já estão ligados entre si. Com a ativação de proteínas de elongação, chamadas fatores e elongação (EF), a cadeia de proteína vai se formando, pois os

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aminoácidos vão sendo colocados conforme a informação ditada pelo códon exposto no sítio A do ribossomo. O processo continua seqüencialmente até encontrar o ponto final.

O ponto final é caracterizado por três códons. São eles: UAA, UAG e UGA. Esses códons vêm na porção 3’, antes da cauda de Poli A e determina o desligamento do RNAm do RNAr. O que permanece é a proteína formada com sua seqüência primária de aminoácidos e já com suas outras estruturas, secundária, terciária e quaternária, definidas. Essa correlação existente entre códons no RNAm e aminoácidos na proteína, permitiram o estabelecimento de um código genético.

1.6. O Código genético

Depois das descobertas que: (1) o DNA é o material genético; (2) que o RNAm é uma

cópia do DNA e o intermediário entre a informação genética e a proteína e (3) que a estrutura primária da proteína está em acordo com a informação constante no DNA, ficou estabelecido um código, com pequenas variações entre os organismos e que resume todo o processo de tradução.

Os itens a seguir demonstram o código genético:

1. Há colinearidade entre genes e proteínas

O RNAm entra nos ribossomos na forma de seqüência de códons - 3 bases ribonucleotídicas juntas - que determinam a ativação enzimática do RNAt respectivo e do aminoácido específico. Se há, por exemplo, 250 códons existirão 250 aminoácidos na cadeia polipeptídica.

2. O código é em trincas

Com a explicação do item anterior percebe-se que cada três bases ribonucleotídicas no RNAm corresponde a um códon e que nenhuma dessas bases será aproveitada para outro códon, anterior ou posterior.

3. O código é degenerado

Ao se verificar a tabela de códons percebe-se que vários aminoácidos são codificados por mais de um códon, por exemplo, glicina é codificada por GGG, GGC, GGA e GGU. Exceção a esta propriedade tem a metionina que é codificada apenas por AUG e triptofano por UGG, somente.

4. O código é dito “não ambíguo”

Em condições naturais cada códon sintetiza sempre o mesmo resíduo de aminoácido seja qual for a proteína.

A ambigüidade pode ser encontrada em sistemas de cultivo de células. Por exemplo, uma linhagem de E. coli sensível ao antibiótico estreptomicina, irá codificar isoleucina, leucina ou serina diante do antibiótico para a seqüência UUU. Normalmente ela codifica para fenilalanina (Burns e Bottino, 1989).

5. O código tem ponto inicial

O códon de início das cadeias é o AUG que codifica metionina e está sempre na porção 5’ do RNAm. Parece que a metionina está presente em todas as sínteses, sempre após um ponto final ou no início da cadeia. Se esse aminoácido não tiver função fisiológica na cadeia polipeptídica é retirado enzimaticamente.

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6. O código tem ponto final Na posição 3’ o RNAm traz códons que permitem o desligamento do RNAm do

ribossomo e da proteína formada, tudo isso enzimaticamente. Esses códons não possuem transportadores específicos e são constituídos pelas seguintes seqüências de ribonucleotídeos: UAA, UAG e UGA. O final da cadeia não tem apenas um desses códons e sim vários, para fornecer ao ribossomo a informação para que as cadeias possam se desligar.

1.7. A Proteína

Depois de formada via processos de transcrição e tradução, derivadas de um ou mais

genes, a proteína tem a função de: catálise enzimática, sustentação mecânica, controle do crescimento e diferenciação celular.

A catálise enzimática é a expressão fenotípica indireta do gene na qual a proteína formada possui o destino de transformar substratos, aumentar a velocidade das reações quando necessário. Pode-se neste caso citar como exemplo a enzima fosfofrutocinase que catalisa a transformação da frutose 6-fosfato em frutose 1,6-bifosfato, na rota metabólica da glicólise.

A ação de sustentação mecânica, devida as proteínas está na presença do colágeno, uma proteína fibrosa presente na pele e ossos dos animais.

No controle de crescimento e diferenciação celular a expressão do gene se manifesta pelo controle da informação genética que permite a multiplicação das células no processo de mitose e na diferenciação dessas células para que elas assumam o papel destinado, no local onde se encontram. Exemplos dessas proteínas são os hormônios vegetais, tais como, giberelina, auxina, citocinina.

A expressão fenotípica direta pode-se citar os genes Z1; Z2 e Z3 que controlam a produção de isozimas lipoxigenases responsáveis pela associação de compostos carbonílicos de cadeia curta às proteínas. Os compostos carbonílicos são responsáveis pelo sabor desagradável no grão de soja e seus derivados.

A síntese de proteínas de reserva das sementes tem sido estudada extensivamente em muitas plantas cultivadas com o objetivo de melhorar o valor nutricional através de técnicas de manipulação genética. Nas leguminosas as proteínas estão nos cotilédones e nas gramíneas no endosperma. Entre as proteínas de reserva das sementes as prolaminas e glutelinas estão nos cereais e em gramíneas selvagens, enquanto que as globulinas e as albuminas são encontradas em dicotiledôneas. Quando as sementes estão em formação as proteínas de reserva são produzidas ao nível de retículo endoplasmático, sendo posteriormente transportadas para os locais de reserva que são os vacúolos, chamados como corpos protéicos. 1.8. Regulação da produção de enzimas

Viu-se no início deste capítulo que a produção de determinado fenótipo, cor púrpura das

flores de feijão, é dependente exclusivo de dois genes de interação epistática. A cor branca evidencia a falta de um alelo dominante. Os fenótipos, como resultantes finais de todo processo molecular, são dependentes dos genes, das interações entre si e deles com o meio ambiente.

Sob esse aspecto e do ponto de vista que todos os cromossomos, e, portanto todos os genes, estão em todas as células, como é que ocorre a regulação metabólica desses genes? Quando se analisa uma cenoura, por exemplo, pode-se perceber que no colo a cor verde aparece quando ela fica a descoberta do solo. A luz, portanto é a indutora para que genes responsáveis pela produção de clorofila fiquem ligados e o fenótipo verde apareça. No ápice da cenoura a cor

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é sempre constante. Neste ponto os genes responsáveis pela produção de clorofila estão

desligados, mesmo estando presentes nos cromossomos e, portanto nas células. Outro processo indutivo de regulação gênica pode ser observado quando sementes

colocadas no solo começam o processo de germinação. Nesse caso é necessário que moléculas de água penetrem pelo tegumento atingindo o embrião. Entretanto para que o embrião seja nutrido, a giberelina, um hormônio vegetal, é ativado e, a partir dele, enzimas são produzidas para a degradação do endosperma. A primeira enzima produzida pela indução da giberelina é a alfa-amilase, tornando-se, portanto, a principal hidrolase na germinação das sementes. É uma endoenzima que hidroliza das ligações α-(1,4) ao longo dos polímeros de amilose e amilopectina.

A giberelina, que é produzida nas células do eixo embrionário, difunde-se até o escutelo e a camada de aleurona, onde atua como um ativador primário na cascata de sinais, que culmina com a indução de um fator de transcrição (o GAMyb) e a expressão gênica das enzimas hidrolíticas (Ueguchi-Tanaka, et al., 2000). Além disso, esse hormônio promove o alongamento do caule das plantas.

Em ervilhas altas foi identificado o gene Le(le) que promove o alongamento do caule. O alelo Le codifica uma enzima que hidrolisa o GA20 para produzir GA1. O alelo recessivo le codifica uma enzima defectiva que tem função diminuída na proporção de 1/20 da normal, deixando as plantas anãs por possuírem menos GA1.

A giberelina também atua sobre as proteínas que regulam a divisão celular (CDK’s) – proteínas quinases dependentes de ciclina – em plantas de arroz submersas. Nessas plantas a giberelina ativa o ciclo celular primeiro na transição da fase G1 para a fase S, provocando aumento da atividade mitótica. Os genes CDK’s são então ativados nas fases anteriores da mitose e quando atingem essa fase disparam a divisão celular no meristema intercalar do caule, aumentando o número de células e também possibilitando seu alongamento.

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