Biologia molecular

MECANISMOS GENÉTICOS BÁSICOS

• NUCLEOTÍDEOS

Os nucleotídeos participam de vários processos bioquímicos que são essenciais para o funcionamento do organismo e estruturam-se a partir de uma pentose ligada a um grupo fosfato e a uma base nitrogenada. Essa pentose pode ser tanto uma ribose quanto uma desoxirribose. A ribose vai possuir cinco carbo-nos em sua estrutura molecular e quatro hidroxilas. Já a desoxirribose possui os mesmos 5 carbonos, mas com a liberação de uma molécula de oxigênio, restam apenas três hidroxilas. E é exatamente a falta dessa hidroxila que vai determi-nar o destino desses açúcares: a ribose fará parte do ácido ribonucleico (RNA), enquanto a desoxirribose fará parte do ácido desoxirribonucleico (DNA). A ca-deia de nucleotídeo é formada com o resultado do ataque nucleofílico de um grupo 3'-OH de um trifosfato de nucleotídeo sobre o α-fósforo de outro trifos-fato de nucleotídeo, quebrando uma ligação de fosfoanidrido e eliminando um pirofosfato.

1) Bases nitrogenadas

Quatro tipos diferentes de nucleotídeos são encontrados no DNA, diferindo apenas na base nitrogenada. Podemos agrupar as bases nitrogenadas em dois grandes grupos: as purinas e as pirimidinas. A Adenina (A) e a Guanina (G), que têm dois anéis, são chamadas de purinas e são formadas por 9 átomos (que formam o anel duplo dessas bases, sendo 5 de carbono e 4 de nitrogênio). Todos os átomos do anel duplo estão no mesmo plano. Já a Citosina (C) e a Timina (T), que têm apenas um anel, são classificadas co-mo pirimidinas e possuem 6 átomos do anel (4 de carbono e 2 de nitrogênio). Como nas purinas, todos os átomos do anel das pirimidinas estão no mesmo plano. No processo de formação do RNA, a timina é substituída por Uracila (U), diferenciando-se uma da outra apenas em um grupo metila. Como a uracila é encontrada somente no RNA, ela é mostrada apenas ligada à D-ribose, mas

nunca à 2-desoxi-D-ribose; Já a timina, que é encontrada somente no DNA, se mostra apenas ligada à 2-desoxi-D-ribose, e nunca à D-ribose.

2) Por que o DNA tem T e não U?

Se a citosina do DNA é desaminada formando uma uracila, esta vai especificar a incorporação de uma adenina na cadeia ‘filha’ durante a replicação, em vez da guanina, que teria sido especificada pela citosina. Felizmente, uma U do DNA é reconhecida com o ‘erro* pelas enzimas celulares, antes que uma base incorre-ta seja inserida na cadeia ‘filha'. Essas enzimas eliminam a U, substituindo-a por um a C. Além disso, a Timina utiliza muito ATP para ser produzida, o que a torna uma base “cara”. Como o RNA é constantemente sintetizado e degrada-do, não valeria a pena gastar energia extra para colocar T no RNA. A presença de uma timina no lugar de uma uracila no DNA previne mutações potencial-mente letais. A citosina pode se tautomerizar formando uma imina, a qual pode ser hidrolisada a uma uracila. A reação total é chamada desaminação, pois re-move um grupo amino

3) Regra de Chagaff

Outra informação chave relacionada à estrutura de DNA veio do bioquímico austríaco Erwin Chagaff, que analisou o DNA de diferentes espécies, determi-nando sua composição de bases A, T, C e G e observando que não eram en-contradas em quantidades iguais (como alguns modelos da época diziam). As quantidades de bases variavam entre as espécies, mas não entre indivíduos da mesma espécie.

Na verdade, as bases nitrogenadas ligam-se umas às outras obedecendo uma regra rigorosa, que passou a se chamar Regra de Chargaff, em que a Adenina deve se ligar a Timina, e Citosina deve se ligar a Guanina. Sendo assim, em uma dupla fita de DNA, a quantidade de Adeninas será proporcional ao número de Timinas e o a quantidade de Citosinas será proporcional ao número de Guani-nas.

4) Formação da cadeia polimérica

O DNA é uma longa molécula, formada por um polímero de nucleotídeos que guardam as informações genéticas que são transmitidas de geração a geração. As purinas e pirimidinas estão ligadas ao carbono anomérico do anel furanose por uma junção Beta-glicosídica. Os nucleotídeos se ligam através de ligações fosfodiésteres para formar uma cadeia polimérica. As ligações fosfodiésteres, entre dois nucleotídeos são formadas com o ataque nucleofílico do grupo 3’-OH de um nucleotídeo ao fósforo do fosfato de outro nucleotídeo. O começo da cadeia é representado por um trifosfato, conhecido como terminação 5’, e o fim da cadeia por um grupo OH, conhecido como terminação 3’.

Os nucleotídeos de DNA se reúnem em cadeias ligadas por ligações covalentes, que se formam entre o açúcar desoxirribose de um nucleotídeo e o grupo fosfa-to do próximo. Esse arranjo faz uma cadeia alternada de grupos fosfato e de açúcar desoxirribose no polímero DNA, uma estrutura conhecida co-mo esqueleto de açúcar-fosfato.

A cadeia de nucleotídeos ligados via fosfodiester ao carbono-3 e carbono-5 da ribose formam uma fita de DNA. Sendo assim, eles atuam como precursores dos ácidos desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA), como fonte de energia, por meio das suas formas adenosina trifosfato e guanosina trifosfa-to (ATP e GTP), como coenzimas (flavina adenina dinucleotídeo, nicotinamida adenina dinucleotídeo e coenzima A) e como reguladores fisiológicos (AMP-cíclico, GMP-cíclico).

5) Essenciais, semi essenciais e não essenciais

Nutricionalmente, os nucleotídeos são considerados não essenciais, ou seja, naturais ao nosso corpo, sintetizados “via de novo” pelo organismo utilizando aminoácidos como substrato ou por “via de salvamento” a partir da degradação de aminoácidos e nucleotídeos da nossa alimentação. Quando ocorre cresci-mento rápido, doença e consumo limitado de nutrientes ou distúrbio endógeno os nucleotídeos dietéticos são considerados de grande importância para o or-

ganismo, pois podem disponibilizar bases e nucleotídeos para serem utilizadas imediatamente na síntese de novos nucleotídeos. Além disso, os nucleotídeos dietéticos participam da divisão celular, do crescimento celular, da modulação do sistema imunológico e ajudam na manutenção da saúde intestinal reduzindo a incidência de doenças entéricas.

Os nucleotídeos podem ser considerados Semi Essenciais quando o organismo, apesar de produzir uma pequena quantidade daqueles nucleotídeos, necessita complementar essa quantidade por meio da sua dieta, obtidos via salvamento. Alguns exemplos de casos especiais serão situações em que houver rápido crescimento, estado de doença, consumo limitado de nutrientes ou distúrbio endógeno. Essa via é extremamente importante para tecidos e órgãos cuja sín-tese de nucleotídeos é deficiente, sendo assim, necessária à suplementação na dieta.

• DNA O DNA é uma molécula encontrada nas células de todos os seres vivos. Ela passa de uma geração para outra com as informações que determinam as ca-racterísticas das espécies, como por exemplo, a cor dos olhos, dos pelos ou o tipo sanguíneo. Essas características são determinadas por um trecho do DNA conhecido como gene. O gene nada mais é do que uma sequência específica do DNA que contém as instruções necessárias para a síntese de uma proteína ou molécula de RNA, sendo portanto a unidade fundamental da hereditarieda-de.

Todas as células de um indivíduo possuem esse mesmo gene. Contudo, apenas as células que irão gerar os componentes do sangue utilizam esse trecho espe-cífico do DNA para construir proteínas relacionadas à essa característica. As proteínas são a parte funcional do gene, ou seja, elas vão ser formadas a partir das informações genéticas contidas nos genes e vão colocá-las em ação. Já o gene seria a receita utilizada pela célula na produção de proteínas. Dessa for-ma, podemos dizer que o tipo sanguíneo, por exemplo, é uma característica

genética determinada por um gene. Por isso, é possível afirmar que o tipo san-guíneo está no DNA.

1) Watson e Crick

Watson e Crick propuseram em 1953 o modelo da dupla hélice para a molécula de DNA. Concluíram que o DNA consiste em duas cadeias de ácidos nucléicos, com o esqueleto açúcar-fosfato na parte externa e as bases na parte interna. As cadeias são unidas por ligações de hidrogênio (LH) entre as bases de um a cadeia e as bases da outra cadeia. Portanto, uma hélice dupla é composta por duas fitas com sequências de bases que se complementam e se emparelham pela LH. Para que o DNA não seja clivado facilmente, o grupo OH do fosfato permanece básico, e em meio fisiológico fica carregado negativamente. Logo, repele nucleófilos que promoveriam a clivagem das ligações fosfodiéster. Dife-rentemente do DNA, o RNA é facilmente clivado, pois o grupo 2'-OH da ribose pode agir como um nucleófilo que cliva a cadeia.

O DNA pode assumir diferentes formas helicoidais, de acordo com as intera-ções entre os nucleotídeos. A Hélice B é a forma predominante em solução aquosa é encontrada na maior parte em organismos vivos, enquanto que a Hé-lice B é a forma predominante em solventes apolares. Temos também a Hélice Z, que ocorre em regiões onde há grande conteúdo de pares de bases G-C. Nessa última, a hélice gira ao contrário, para a esquerda.

2) Localização dos Genes

Os genes são encontrados nos cromossomos, que são formados por cadeias de DNA altamente condensadas associadas a proteínas. Em um cromossomo, existem diferentes genes, os quais determinam diferentes características. Na espécie humana, é possível observar 23 pares de cromossomos, sendo 22 pa-res de cromossomos não sexuais (autossomos) e um par de cromossomos se-xuais (XX em mulheres e XY em homens). As formas alternativas de um deter-minado gene são denominadas de alelos e estão localizadas em uma mesma posição em cromossomos homólogos (cromossomos geneticamente equivalen-

tes). Essas formas alternativas de um gene podem surgir por meio de mutações, que fazem com que um pequeno trecho de um gene sofra modificação.

3) Formação do DNA

Desde 1870, já se sabia da existência de uma estrutura responsável por carre-gar toda a informação genética. Naquela época, desconfiava-se de que fosse o que conhecemos hoje como proteínas. Na década de 50, as primeiras desco-bertas científicas mostraram que o DNA era composto por duas fitas de um polímero enroladas como uma hélice, o que foi fundamental na elucidação do modelo da estrutura do DNA de Watson e Crick, que tornou evidente o poten-cial do DNA para replicação e armazenamento da informação genética.

O DNA é uma longa molécula, formada por um polímero de nucleotídeos que guardam as informações genéticas que são transmitidas de geração a geração. Uma molécula de DNA consiste, portanto, em duas longas cadeias polipeptídi-cas compostas por quatro tipos de subunidades nucleotídicas e cada uma des-sas cadeias é conhecida como uma fita de DNA. Em uma dupla fita, as cadeias vão se organizar de forma antiparalela, ou seja, as fitas estarão unidas em sen-tidos opostos (como uma “via de mão dupla”) por ligações de hidrogênio entre as porções base dos nucleotídeos. Os nucleotídeos estão covalentemente liga-dos em uma cadeia por açúcares e fosfatos, os quais formam a estrutura prin-cipal al ternada de açúcar-fosfato-açúcar-fosfato. Os nucleotídeos de DNA se reúnem em cadeias ligadas por ligações covalentes, que se formam entre o açúcar desoxirribose de um nucleotídeo e o grupo fosfato do próximo. Esse ar-ranjo faz uma cadeia alternada de grupos fosfato e de açúcar desoxirribose no polímero DNA, uma estrutura conhecida como esqueleto de açúcar-fosfato.

4) Dupla hélice

A estrutura tridimensional do DNA ocorre devido a características químicas e estruturais de suas duas cadeias polinucleotídicas. Duas cadeias são mantidas unidas por ligações de hidrogênio entre as bases das duas fitas e todas as ba-ses estão voltadas para o interior da dupla-hélice, enquanto que a cadeia prin-

cipal de açúcar-fosfato encontra-se na região externa. Nesse arranjo, cada par de bases possui uma largura similar, mantendo a estrutura de açúcar-fosfato equidistante ao longo da molécula de DNA e enrolam-se um sobre o outro for-mando uma dupla-hélice orientada à direita, completando uma volta a cada 10 pares de base.

O DNA pode assumir diferentes formas helicoidais, de acordo com as intera-ções entre os nucleotídeos. A Hélice B é a forma predominante em solução aquosa é encontrada na maior parte em organismos vivos, enquanto que a Hé-lice B é a forma predominante em solventes apolares. Temos também a Hélice Z, que ocorre em regiões onde há grande conteúdo de pares de bases G-C. Nessa última, a hélice gira ao contrário, para a esquerda. Com a estrutura dupla hélice foi possível compreender o mecanismo de replicação, que ocorre quando a dupla hélice é separada, na qual os dois filamentos separados irão formar os filamentos complementares a cada um dos filamentos separados da dupla héli-ce de origem.

5) Enzimas envolvidas na formação do DNA

A informação genética contida no DNA de um organismo contém as instruções para todas as moléculas de RNA e proteínas que o organismo irá sintetizar, compondo o genoma do organismo. Nos eucariotos, o DNA está localizado no núcleo celular, um grande compartimento delimitado pela carioteca, uma mem-brana que separa o núcleo do citoplasma. Já nos procariotos, pela ausência da carioteca, o material nuclear vai estar disperso no citoplasma.

A replicação do DNA é semiconservativa, o que significa que cada fita na dupla hélice atua como modelo para a síntese de uma nova fita complementar.

Esse processo tem início com uma molécula e leva a formação de duas molécu-las "filhas", cada uma com uma dupla hélice recém-formada contendo uma fita nova e uma velha.

A capacidade das células de manter um alto grau de organização em um ambi-ente caótico depende da duplicação exata de grandes quantidades de informa-ção genética armazenadas na forma química de DNA. Por isso, diversas enzi-mas estarão envolvidas nesse processo e serão responsáveis tanto pela poli-merização de nucleotídeos na nova fita complementar a fita molde, quanto pela correção e reparo de possíveis erros que ocorrem nesse processo.

5.1. DNA polimerase Uma das principais enzimas envolvidas na replicação do DNA, a DNA polime-rase é responsável pela síntese do DNA: elas adicionam nucleotídeos, um por um, à fita crescente de DNA, incorporando somente aqueles que são comple-mentares à fita molde. A DNA polimerase I, codificada pelo gene Pol A, possui um importante papel no reparo do DNA.

5.2. Primase As Polimerases só podem adicionar nucleotídeos à extremidade 3' de uma fita de DNA com a ajuda de uma enzima chamada primase, que faz um primer de RNA contendo cerca de cinco a dez nucleotídeos, que indica onde a polimeriza-ção será iniciada e fornece uma extremidade 3' para que se inicie o processo.

5.3. DNA ligase Catalisa a formação de ligações fosfodiéster entre os grupos 5'-fosforil e 3'-hidroxila no DNA de fita dupla usando o NAD como uma coenzima e como fon-te de energia para a reação. É essencial para a replicação e reparo do DNA. Também serão responsáveis pela união dos fragmentos de Okasaki formados na polimerização da fita retardada.

5.4. Topoisomerase Esta enzima evita que a dupla hélice de DNA à frente do garfo de replicação torne-se muito estreitamente enrolada à medida que o DNA é aberto. Ela age

fazendo cortes temporários na hélice para liberar tensão, depois fecha os cortes para evitar dano permanente.

5.5. Proteínas ligadoras de fita simples Recobrem o DNA ao redor do garfo de replicação para evitar que o DNA se enrole.

• GENES Gene é uma sequência de nucleotídeos do DNA que é expresso em um produto funcional, ou seja, em termos moleculares o gene é a unidade que contém a informação responsável por “comandar” a formação de uma molécula de RNA ou em uma cadeia polipeptídica.

O cromossomo, por sua vez, é uma estrutura extremamente condensada for-mada por DNA e proteínas especificas, contendo íntrons e éxons que formam os genes. Os íntrons são as regiões que não codificam para proteínas e que antigamente eram chamados de “DNA lixo”, mas que com o avanço da ciência e com o Projeto Genoma Humano, passaram a ser chamados de DNA não codi-ficante, uma vez que, apesar de não codificarem proteínas, possuem sim fun-ções fundamentais para o funcionamento dos genes. Esses íntrons e éxons são formados por nucleotídeos (Timina: T, Adenina: A, Citosina: C e Guanina: G) e toda essa sequência de nucleotídeos, do DNA, que vai se expressar em proteí-na ao final do processo de transcrição e tradução, chama-se gene.

1) Genoma

O genoma é conjunto de todos os genes de uma espécie de ser vivo. É a soma de genes que define como vai se desenvolver e funcionar um ser vivo. O geno-ma é transmitido de geração em geração e determina a espécie do ser vivo, pois nele encontram-se gravadas características hereditárias encarregadas de dirigir o desenvolvimento biológico de cada indivíduo.

Na dotação cromossômica haploide, um núcleo possui só um genoma, onde estarão descritas as informações genéticas daquele indivíduo, como por exem-plo a presença de doenças hereditárias. Já os cromossomos carregam os genes de um ser vivo, responsáveis por definir as características físicas particulares de cada indivíduo.

2) Somos diferentes

Não existem duas pessoas exatamente idênticas. Mesmo assim, em todos nós, 99,9% da sequência de bases do DNA são idênticas. Sendo assim, o que diferencia nossos organismos? As diferenças resultam da variação na ordem das bases A, T, G e C do nosso DNA. Essa variação ocorre ao acaso e atinge apenas 0,1% da sequência de bases e, ainda assim, é responsável pela nossa identidade genética exclusiva, desde a cor dos olhos até a predisposição para algumas doenças.

Por que uma variação tão pequena nos torna tão diferentes uns dos outros? A resposta está no tamanho do genoma humano: nos 23 cromossomos, há mais de 3 bilhões de nucleotídeos. Assim, a variação de 0,1% do genoma corres-ponde a mais de 3 milhões de diferença e essa variação biológica torna cada um de nós um ser único. Além disso, nós desenvolvemos características ainda mais peculiares a partir de experiências pessoais únicas. Duas pessoas não aparentadas são 99,9% idênticas (3.000.000 de pares de bases são diferen-tes); pai e filha ou irmãos são 99,95% idênticos (1.500.000 pares de bases di-ferentes); irmãos gêmeos são 100% idênticos (zero pares de bases diferentes), mas ainda assim possuem características físicas e pessoais bastante diferentes.

O número de cópias de um gene pode ainda ser aumentado em diferentes fa-ses do desenvolvimento, em resposta a estímulos específicos, por um processo chamado de amplificação gênica. Enquanto a redundância é um fenômeno filo-genético, ou seja, relacionado à história genealógica de um grupo de organis-mos, a amplificação é um fenômeno ontogenético, ou seja, relacionado à origem e ao desenvolvimento de um organismo.

3) Funcionamento do Gene

Cada célula contém o conjunto completo de genes, mas, de acordo com a fun-ção que executa, apenas certo subconjunto do conjunto completo funciona ati-vamente. Por exemplo: o subconjunto de genes ativo nas células do coração é diferente do subconjunto de genes ativo nas células do estômago.

Da mesma forma, temos diversos outros genes, que ao serem ativados serão responsáveis por uma função específica, como visão, audição, tato, paladar, dentre outros.

A diferenciação das cores, por exemplo, se dá através de ativação de genes em uma estrutura chamada cone. Entretanto, por vezes esses genes não são ativa-dos como deveriam... certas variações na sequência desses genes ativos no genoma dos cones podem fazer com que o olho não seja capaz de distinguir com precisão os comprimentos de onda na luz que chega até ele, o que é es-sencial para a visão das cores. Com isso, o indivíduo acaba por apresentar dis-túrbios relacionados a distinção de algumas cores, como o verde e o vermelho, por exemplo.

Além disso, existe uma correlação entre a complexidade de um organismo e o número de genes em seu genoma. Os genomas da maioria dos seres multicelu-lares contêm, além dos genes, uma enorme quantidade de DNA intercalante, chamados de íntrons, com função pouco conhecida. Os genes humanos são muito menos compactados e a quantidade de sequências de DNA intercalante é muito maior em relação à muitas outras espécies. Sabe-se que parte desse DNA é essencial para a expressão gênica, funcionando como interruptores ge-néticos, e, por isso, existe em grande quantidade nos organismos multicelula-res, cujos genes precisam ser ativados e desativados de acordo com instruções complexas durante o desenvolvimento.

Além dos éxons e íntrons, cada gene está associado a sequências de DNA re-gulador, que em humanos estão distribuídas por milhares de pares de nucleotí-deos e que são responsáveis por assegurar que cada gene será expresso no

nível adequado, ativado e desativado no devido tempo e apenas em determi-nados tipos celulares.

4) Tipos de Genes

O DNA das células eucariontes pode apresentar três diferentes graus de repe-tição de suas sequências nucleotídicas, categorizando os 3 tipos de genes:

4.1. Copias únicas Cada sequência de nucleotídeo só se encontra uma vez por genoma haploide (maioria dos genes estruturais, que codificam proteínas)

4.2. Medianamente repetitivos Sua porção aumenta na escala evolutiva, com aumento do tamanho do genoma (codificam histonas e RNA ribossômico)

4.3. Altamente repetitivos Fração minoritária (sequencias de nucleotídeos altamente redundantes, curtas e restritas a regiões específicas do genoma. Constituem o chamado DNA satéli-te.

5) Alelos

Os alelos são genes que se encontram na mesma posição, em cromossomos homólogos, e que são responsáveis por determinar uma mesma característica. Em um determinado par de cromossomos homólogos humanos, por exemplo, encontram-se o par de genes responsável pela cor do olho, que serão caracte-rizados, portanto, como genes alelos. Dessa forma, um gene seria como um trecho de DNA em um cromossomo e os alelos são como versões (variantes de sequência) de um gene.

6) Duplicação e divergência

Qual o destino dos genes recém-duplicados? Na maioria dos casos, parece ha-ver pouca ou nenhuma seleção – pelo menos inicialmente – para manter o es-tado duplicado desde que uma cópia possa fornecer uma função equivalente. Portanto, vários eventos de duplicação provavelmente foram seguidos por mu-tações com perda de função em um ou em outro gene. Esse ciclo restauraria funcionalmente o estado de um gene que precedeu a duplicação. Existem vá-rios exemplos nos genomas contemporâneos em que uma cópia de um gene duplicado foi inativada de forma irreversível por múltiplas mutações. Com o passar do tempo, a similaridade de sequência entre um pseudogene e o gene funcional cuja duplicação o produziu vai sendo desgastada pelo acúmulo das diversas mutações no pseudogene – até que a correlação de homologia não seja mais detectável.

Esse processo de “duplicação e divergência” explica a presença de grandes fa-mílias de genes com funções relacionadas em organismos biologicamente complexos, uma vez que a perda de função e homologia, aumenta a complexi-dade e a variabilidade genética. Esse mecanismo parece ter um papel impor-tante na evolução do aumento da complexidade biológica.

A família de genes da globina é um ótimo exemplo de como a duplicação pro-duz proteínas novas, uma vez que sua história evolutiva se desenvolveu muito bem.

As semelhanças óbvias nas sequências de aminoácidos e na estrutura das glo-binas atuais indicam que elas são derivadas de um gene ancestral comum, mesmo que algumas sejam hoje codificadas por genes bastante separados no genoma de mamíferos.

• CROMOSSOMOS Cromossomos são estruturas compostas de DNA e estão localizados no núcleo das células que compõe o ser vivo. Cada cromossomo em uma célula eucarióti-

ca consiste em uma única e enorme molécula de DNA linear juntamente com proteínas que enovelam e empacotam a fina fita de DNA em uma estrutura mais compacta. Estas são necessárias para os processos de replicação e reparo do DNA.

O corpo humano possui no total 46 cromossomos pareados, sendo um total de 23 pares, divididos entre 22 pares autossômicos e 1 par sexual. Destes cro-mossomos são os chamados “sexuais”, os dois cromossomos que vão decidir o sexo durante a formação do feto, enquanto os outros 44 não estão ligados ao fator sexual.

Os cromossomos homólogos são aqueles que representam cada um destes pares e só existem nas células somáticas das espécies diploides. Apesar das similaridades, são originados de alelos diferentes. Os genes ocupam o mesmo lócus gênico (local fixo num cromossomo) e estão relacionados à determinação das características dos seres vivos

1) Cromossomos homólogos e não homólogos

Cada núcleo celular humano contém duas cópias de cada cromossomo, uma herdada do pai e outra herdada da mãe, com exceção dos gametas e outros tipos celulares altamente especializados, como os eritrócitos, por exemplo, que são os precursores diretos das hemácias e que não podem se multiplicar; ou os megacariócitos, que replicam seu DNA sem completar o ciclo de divisão celular.

Os cromossomos maternos e paternos que formam pares são chamados de homólogos e constituem as chamadas células diploides (2n). Todas as infor-mações genéticas de determinado indivíduo, como a cor dos olhos, dos cabelos e outras características hereditárias, estão presentes no DNA daquele organis-mo. Os cromossomos servem para armazenar todas essas informações, con-densando o material genético para que caiba no interior das células.

O único par de cromossomos não homólogos é o dos cromossomos sexuais do macho, onde um cromossomo X é herdado da mãe e um cromossomo Y é her-

dado do pai. Nesse sentido, as mulheres possuem 2 cromossomos X (XX), en-quanto os homens possuem apenas 1 (XY). Assim, cada célula humana contém um total de 46 cromossomos, sendo 22 pares comuns a indivíduos masculinos e femininos, além de mais os dois cromossomos sexuais.

Cada cromossomo está associado a proteínas envolvidas na sua compactação, replicação, expressão gênica, reparo, entre outros. As proteínas que se ligam ao DNA e formam os cromossomos eucarióticos são divididas em duas classes: as histonas e as proteínas cromossômicas não histonas, cada uma contribuindo com cerca da mesma massa no cromossomo que o DNA.

A unidade estrutural dos cromossomos chama-se nucleossomo, composto por um octâmero de histonas de formato globular envolvido por molécula de DNA, que formam grupos chamados de nucleossomos e são visualizadas no micros-cópio em células na fase de metáfase da divisão celular. Essas proteínas são responsáveis pelo empacotamento do DNA, auxiliando no processo de conden-sação e empacotamento do material genético dentro do núcleo. De modo geral, as histonas são proteínas importantes na regulação dos genes, tornando os genes mais ou menos acessíveis à ação da RNA-polimerase por meio de um processo de compactação e descompactação do DNA. Já as proteínas não-histônicas são aquelas que proporcionam condições para que haja associações entre as histonas e a cromatina.

2) Eucariotos x Procariotos

A estrutura dos cromossomos de seres eucariotos não é a mesma dos seres procariotos. As bactérias possuem somente um cromossomo circular localiza-do no citoplasma, capaz de autoduplicação, sendo portanto, haploides (n). Já no caso dos eucariontes, cada cromossomo possui um centrômetro, que é a regi-ão mais condensada, e, neste ponto, as cromátides-irmãs estão ligadas duran-te a mitose. Cromátide é cada um dos dois filamentos de DNA formados pela duplicação de um cromossomo durante a fase S da Intérfase. Nas extremidades dos “braços” das cromátides estão estruturas especiais chamadas de telôme-ros, que são responsáveis por manter a estabilidade estrutural do cromossomo.

3) Tipos de cromossomos

Os cromossomos variam a sua forma de acordo com a posição do “estrangula-mento” feito pelo centrômetro. Sendo assim, podemos classificá-los em dife-rentes tipos:

3.1. Cromossomo Telocêntrico O centrômetro está localizado na extremidade terminal do cromossomo, de forma que venha a assumir um formato de “pinça”, dando a impressão de que ele possui apenas um braço.

3.2. Cromossomo Acrocêntrico O centrômero localiza-se próximo a uma das extremidades do cromossomo, mas não totalmente nela, fazendo com que uma das duplas de “braços” que formam o cromossomo seja maior que a outra.

3.3. Cromossomo Submetacêntrico Quando o centrômetro está pouco afastado do meio do cromossomo. Nesse tipo, percebe-se que os braços apresentam tamanho desigual, sendo um relati-vamente menor que o outro.

3.4. Cromossomo Metacêntrico O centrômetro está no centro do cromossomo, fazendo com que todos os seus “braços” tenham o mesmo tamanho e um formato de X.

4) Visualização dos cromossomos

Os cromossomos humanos podem ser facilmente distinguidos por “métodos de coloração”, que preferencialmente são realizados na mitose, período em que os cromossomos estão especialmente compactados e são de fácil visualização.

Através de uma técnica baseada na hibridização de DNA, uma pequena fita de ácido nucleico atua como uma “sonda” após ser marcada com um corante fluo-rescente. Como o DNA marcado pode formar pares de bases, cada cromosso-mo é marcado com uma combinação diferente de corantes. Nesses experimen-tos, os cromossomos são submetidos a tratamentos que separam as duas fitas da dupla-hélice de DNA, de modo a permitir o pareamento de bases com o DNA de fita simples marcado, porém preservando a estrutura geral do cromos-somo. Essa sonda, portanto, se liga à sua sequência complementar, iluminando o cromossomo-alvo no local ao qual se liga.

A representação dos 46 cromossomos mitóticos é chamada de cariótipo huma-no. Caso partes de cromossomos sejam perdidas ou estejam trocadas entre cromossomos, essas alterações podem ser detectadas por alterações no pa-drão de coloração dos cromossomos, tendo boa sensibilidade.

5) Estrutura dos cromossomos

Experimentos sugerem que o DNA nos cromossomos humanos está organiza-do em alças de cromatina que se projetam a partir de um eixo cromossômico linear, com comprimentos variados. Uma alça típica pode conter de 50 mil a 200 mil pares de nucleotídeos de DNA.

O conjunto de proteínas ligadas que fazem parte da cromatina em um determi-nado lócus varia de acordo com o tipo celular e seu estágio de desenvolvimen-to. Essas variações fornecem diferente acessibilidade a genes específicos nos diferentes tecidos e ajudam na criação da diversidade celular que acompanha o desenvolvimento embrionário.

6) Centrômero, telômero e origens de replicação

A interfase é a fase em que os genes são expressos e os cromossomos são re-plicados. Durante esse período, os cromossomos estão estendidos e muito de sua cromatina está disposta no núcleo na forma de longas linhas enroladas, de modo que os cromossomos individuais não podem ser distinguidos facilmente.

As duas cópias são mantidas unidas formando um par, chamado de cromáti-des-irmãs. Apenas durante um período muito breve da mitose é que os cro-mossomos são condensados, permitindo que as duas cromátides-irmãs sejam separadas e distribuídas aos núcleos-filhos. Os cromossomos altamente con-densados nas células em divisão são denominados cromossomos mitóticos e é a forma mais facilmente visualizável ao microscópio.

As origens de replicação são sequências nucleotídicas mínimas de DNA que atua o local em que a duplicação do DNA é iniciada. Os cromossomos eucarió-ticos contêm muitas origens de replicação para assegurar que todo o cromos-somo seja replicado rapidamente. Após a replicação, as duas cromátides-irmãs que formam cada cromossomo permanecem unidas uma à outra e são mais condensadas ao longo do ciclo para produzir cromossomos mitóticos.

A presença de uma sequência especializada de DNA, chamada de centrômero, permite que uma cópia de cada cromossomo duplicado e condensado seja le-vada para cada célula-filha no momento da divisão celular. No centrômero também é formado um complexo proteico chamado de cinetócoro, que liga o fuso mitótico aos cromossomos duplicados, permitindo que eles sejam separa-dos.

Uma outra sequência especializada, chamada de telômero, forma as extremi-dades dos cromossomos, que contêm sequências nucleotídicas repetidas que permitem que as extremidades dos cromossomos sejam replicadas de maneira eficiente. Os telômeros também desempenham o papel de formar estruturas que evitam que as extremidades cromossômicas sejam confundidas com uma molécula de DNA quebrada que necessita de reparo pela célula.

• NUCLEOSSOMOS Cada cromossomo em uma célula consiste em uma molécula linear de DNA junto a proteínas envolvidas na sua compactação, replicação, expressão gênica, reparo, entre outros. As proteínas que se ligam ao DNA e formam os cromos-somos eucarióticos são divididas em duas classes: as histonas e as proteínas

cromossômicas não histonas, cada uma contribuindo com cerca da mesma massa no cromossomo que o DNA.

A unidade estrutural dos cromossomos chama-se nucleossomo, composto por um octâmero de histonas de formato globular envolvido por molécula de DNA. De modo geral, as histonas são proteínas importantes na regulação dos genes, tornando os genes mais ou menos acessíveis à ação da RNA-polimerase por meio de um processo de compactação e descompactação do DNA. Já as prote-ínas não-histônicas são aquelas que proporcionam condições para que haja associações entre as histonas e a cromatina.

1) Empacotamento e organização do DNA

Nos eucariontes, a complexa tarefa de compactar o DNA é realizada por proteí-nas histonas especializadas, que realizam alterações estruturais, gerando uma série de espirais e alças desordenadas com diferentes níveis crescentes de or-ganização.

O complexo de DNA mais histonas e outras proteínas estruturais é chamado de cromatina. Portanto, se essa cromatina for submetida a um tratamento que a desenrole parcialmente, observa-se, ao microscópio eletrônico, uma série de “contas em um colar”. O colar é o DNA, e cada conta é uma partícula do cerne do nucleossomo.

A organização estrutural dos nucleossomos foi determinada laboratorialmente após sua separação da cromatina compactada pelas nucleases, que degradam o DNA clivando-o entre os cernes dos nucleossomos.

2) O cerne

A estrutura básica da cromatina é formada por 200 pares de bases de DNA ligados a um octâmero de histonas, ou seja, duas moléculas de cada histona (H2A, H2B, H3 e H4), além de uma molécula de histona H1.

As histonas 2A e 2B formam um dímero por uma interação conhecida como “aperto de mãos”, assim como as histonas H3 e H4, que formam um dímero pelo mesmo tipo de interação. Na formação do nucleossomo, primeiro as histo-nas ligam-se umas às outras para formar H3-H4 e H2A-H2B, e os dímeros H3-H4 combinam-se para formar tetrâmeros. Então, um tetrâmero H3-H4 se com-bina a dois dímeros H2A-H2B para formar o octâmero compacto do cerne, ao redor do qual o DNA é enrolado.

As quatro histonas que formam o cerne contêm de 102 a 135 aminoácidos, ou seja, são relativamente pequenas. Em cada nucleossomo, 142 ligações de hi-drogênio são formadas entre o DNA e o cerne de histonas, sendo quase meta-de dessas ligações formando-se entre os aminoácidos da estrutura das histo-nas e a cadeia principal açúcar-fosfato do DNA, mantendo o DNA ligado às proteínas no nucleossomo. Mais de um quinto dos aminoácidos em cada cerne de histonas são lisina ou arginina (dois aminoácidos com cadeias laterais bási-cas), isso porque histonas 2A e 2B são ricas em lisina, enquanto histonas 3 e 4 são ricas em arginina.

Então, numerosas interações hidrofóbicas e pontes salinas também mantêm o DNA ligado às proteínas no nucleossomo. Essas múltiplas interações explicam, em parte, por que praticamente qualquer sequência de DNA pode ser ligada a um octâmero de histonas.

Cada cerne de histonas contém uma cauda N-terminal, sujeita a diversas for-mas de modificações covalentes, e uma região do “enovelamento de histonas”, que, por sua vez, controlam aspectos críticos da estrutura e função da cromati-na.

3) Estrutura dinâmica dos nucleossomos

Para melhor compreensão a partir daqui, é necessário entender como funcio-nam os complexos de remodelagem da cromatina. Esses complexos incluem uma subunidade que hidrolisa ATP isolado, usando a energia para deslocar o

DNA do cerne, alterando temporariamente a estrutura do nucleossomo, tor-nando a ligação do DNA ao cerne mais livre. Mas por que isso é importante?

Por meio de ciclos repetidos de hidrólise de ATP e de uma grande família de diferentes chaperonas de histonas, alguns complexos de remodelagem podem remover dímeros H2A-H2B de um nucleossomo e substituí-los por dímeros contendo formas variantes de histonas, como os dímeros H2AZ-H2B. Como resultado, há um movimento de impulso do cerne ao longo da dupla-hélice de DNA em um processo chamado de deslizamento dos nucleossomos.

Isso torna a cromatina acessíveis a outras proteínas na célula e mostra o quanto o arranjo dos nucleossomos no DNA é altamente dinâmico, podendo alterar-se rapidamente de acordo com as necessidades da célula.

O mecanismo genético de leitura necessita um acesso fácil às várias sequências específicas de DNA e rápida passagem das maquinarias de transcrição e repli-cação de DNA pela cromatina. Por isso, a atividade desses complexos é cuida-dosamente controlada pela célula. À medida que genes são ativados ou desati-vados, esses complexos são direcionados para regiões específicas do DNA, onde atuarão localmente, influenciando a estrutura da cromatina.

4) Chaperonas

Ainda que a célula possua diversos mecanismos de proteção e reparo contra erros genéticos, ainda é possível que uma proteína não consiga desempenhar as suas funções por erros no enovelamento. Para garantir que a grande parte das proteínas irão atingir a sua estrutura terciária, existe uma família de proteí-nas chamadas de chaperonas, que são moléculas que auxiliam as proteínas recém-formadas a assumirem a configuração apropriada ao desempenho de suas tarefas. As chaperonas são moléculas importantes na proteção contra o enovelamento incorreto das proteínas, que nada mais é do que a obtenção da conformação espacial específica de uma proteína e interfere na maneira como a mesma atua no corpo e se associa a outras proteínas. Dessa forma, ela evita a formação dos chamados “agregados”, que estão associados a diversas doen-

ças, como Parkinson, Alzheimer e até mesmo câncer. Além de auxiliar o enove-lamento proteico, as chaperonas encaminham a proteína à destruição, caso não seja possível atingir a configuração correta.

Então por consequência, essas “guardiãs das proteínas”, como também são conhecidas, cumprem um papel fundamental contra o surgimento de mutações e doenças.

5) Condensação de nucleossomos

A maneira como os nucleossomos estão organizados nos arranjos condensa-dos não é clara, entretanto existem teorias com base na análise da estrutura microscópica de complexos de nucleossomos. O que se sabe é que apesar de extremamente longos, na verdade, os nucleossomos, em sua organização, são compactados uns em cima dos outros, produzindo arranjos nos quais o DNA encontra-se altamente condensado.

As ligações nucleossomo-nucleossomo, que envolvem as caudas das histonas (especialmente a cauda da H4) constituem um fator importante para o empi-lhamento dos nucleossomos. Outro fator é a presença de uma histona de liga-ção adicional, também conhecida como H1, que altera a direção do DNA quan-do ele sai do nucleossomo, através de ligações que fazem contato do DNA com a proteína. Essa alteração na via de saída do DNA parece auxiliar a compacta-ção do DNA nucleossômico. Não obstante, a presença de várias outras proteí-nas de ligação ao DNA, assim como as proteínas que se ligam diretamente às histonas, certamente adicionará características extras a qualquer arranjo nu-cleossômico.