Aula 12 Biologia Capítulo 6 Notas PDF Download
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Este capítulo trata da estrutura, função e regulamentação do DNA, que é o material genético na maioria dos organismos vivos. Também explica como ARN atua como mensageiro, adaptador e catalisador na síntese de proteínas. Além disso, discute como a expressão gênica é controlada em diferentes células e condições. Por fim, apresenta algumas aplicações da biologia molecular no projeto do genoma humano e na impressão digital de DNA.
Os principais tópicos abordados neste capítulo são:
Estrutura do DNA
Replicação do DNA
Transcrição do DNA
Código genético e tradução
Regulação da expressão gênica
Projeto genoma humano e impressão digital de DNA
Vejamos agora cada um desses tópicos em detalhes.
Estrutura do DNA
DNA significa ácido desoxirribonucleico, que é uma molécula longa e linear que armazena e transmite informações genéticas na maioria dos organismos vivos. O DNA é composto de unidades menores chamadas nucleotídeos, que tem três componentes: um Base nitrogenada, a açúcar pentose (desoxirribose) e um grupo fosfato. Existem quatro tipos de bases nitrogenadas no DNA: adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C).
Os nucleotídeos são ligados entre si por ligações fosfodiéster entre o grupo fosfato de um nucleotídeo e o grupo açúcar do próximo nucleotídeo, formando uma cadeia polinucleotídica. A cadeia polinucleotídica tem uma direcionalidade, com uma extremidade contendo um grupo fosfato livre (a extremidade 5') e a outra extremidade contendo um grupo de açúcar livre (a extremidade 3').
Em 1953, James Watson e Francis Crick propuseram a modelo de dupla hélice de DNA, com base nos dados experimentais de Maurice Wilkins, Rosalind Franklin e Erwin Chargaff. De acordo com esse modelo, o DNA consiste em duas cadeias de polinucleotídeos que correm antiparalelas entre si, formando uma hélice de mão direita. As duas cadeias são mantidas juntas por ligações de hidrogênio entre as bases complementares em fitas opostas. As regras de pareamento de bases para o DNA são: A pareia com T por duas pontes de hidrogênio, e G pareia com C por três pontes de hidrogênio. A distância entre dois pares de bases adjacentes é de 0,34 nm, e a hélice dá uma volta completa a cada 3,4 nm, contendo 10 pares de bases.
A estrutura de dupla hélice do DNA explica sua estabilidade, especificidade e replicação. A estabilidade se deve ao empilhamento de bases e à formação de pontes de hidrogênio. A especificidade se deve ao pareamento de bases complementares, o que garante que cada fita possa servir de molde para a síntese de uma nova fita. A replicação ocorre devido ao modo semiconservativo, o que significa que cada molécula filha de DNA consiste em uma fita antiga e uma nova fita.
Replicação do DNA
A replicação do DNA é o processo pelo qual o DNA faz cópias de si mesmo antes da divisão celular. Ocorre durante a fase S do ciclo celular e é semiconservativa, o que significa que cada molécula filha de DNA consiste em uma fita velha e uma nova fita.
A replicação do DNA começa em locais específicos na molécula de DNA chamados origens de replicação, onde as duas fitas são separadas por uma enzima chamada helicase. Isso cria uma estrutura em forma de Y chamada forquilha de replicação, onde novos nucleotídeos são adicionados às fitas em crescimento. Para prevenir o recozimento das fitas separadas, proteínas chamadas proteínas de ligação de fita simples (SSBs) ligar-se a eles e mantê-los separados.
A síntese de novos filamentos é catalisada por uma enzima chamada DNA polimerase, que adiciona nucleotídeos à extremidade 3' da fita existente, seguindo as regras de pareamento de bases. No entanto, a DNA polimerase só pode funcionar em uma direção, de 5' para 3'. Isso cria um problema na forquilha de replicação, onde as duas fitas correm em direções opostas. Para resolver este problema, uma fita (a fita líder) é sintetizada continuamente em direção à forquilha de replicação, enquanto a outra fita (a fita atrasada) é sintetizada descontinuamente longe da forquilha de replicação, formando segmentos curtos chamados Fragmentos de Okazaki. Os fragmentos de Okazaki são posteriormente unidos por uma enzima chamada DNA ligase, formando uma fita contínua.
A replicação do DNA é regulada e revisada por várias enzimas que garantem a precisão e a fidelidade do processo. Algumas dessas enzimas são: DNA primase, que sintetiza iniciadores de RNA curtos que iniciam a síntese de DNA; DNA topoisomerase, que alivia a tensão de superenrolamento causada pela helicase; DNA polimerase I, que remove os primers de RNA e os substitui por nucleotídeos de DNA; e DNA polimerase III, que tem uma atividade de uclease de exon que pode corrigir bases incompatíveis; e Sistema de reparo de incompatibilidade de DNA, que reconhece e corrige erros que escapam à revisão da DNA polimerase III.
Transcrição do DNA
A transcrição é o processo pelo qual a informação no DNA é copiada para o RNA, que é uma molécula semelhante, mas ligeiramente diferente. RNA significa ácido ribonucleico, que também é composto por nucleotídeos, mas com algumas diferenças em relação ao DNA. O RNA tem um açúcar ribose em vez de desoxirribose, e tem uma base chamada uracilo (U) em vez de timina. O RNA é geralmente de fita simples, mas pode formar estruturas secundárias por pareamento de bases dentro de si.
A transcrição é necessária porque o DNA é muito grande e estável para deixar o núcleo e interagir com a maquinaria citoplasmática para a síntese de proteínas.O RNA atua como mensageiro, adaptador e catalisador na síntese de proteínas, transportando o código genético do DNA para os ribossomos, onde as proteínas são produzidas.
A transcrição ocorre em três estágios: iniciação, alongamento e terminação. Essas etapas são catalisadas por uma enzima chamada RNA polimerase, que sintetiza o RNA a partir de uma das fitas de DNA (a fita molde) na direção 5' para 3', seguindo as regras de pareamento de bases, exceto que U pareia com A em vez de T.
Na iniciação, a RNA polimerase se liga a uma sequência específica no DNA chamada de região promotora, que sinaliza o início da transcrição. A região promotora geralmente contém uma sequência de consenso chamada de caixa TATA, que é reconhecido por uma proteína chamada Proteína de ligação a TATA (TBP), que faz parte de um complexo maior chamado fator de transcrição IID (TFIID). A ligação do TFIID à caixa TATA atrai outros fatores de transcrição e a RNA polimerase para formar o complexo de iniciação da transcrição, que abre uma pequena seção de DNA e expõe a fita molde para a síntese de RNA.
No alongamento, a RNA polimerase se move ao longo da fita molde e adiciona nucleotídeos à fita crescente de RNA, formando uma estrutura chamada de balão de transcrição, que contém cerca de 12-14 pares de bases de DNA-RNA híbrido. A bolha de transcrição se move junto com a RNA polimerase conforme ela sintetiza o RNA, deixando para trás uma região de DNA desenrolado chamada de zona de transcrição. A zona de transcrição é restaurada ao seu estado original pela ação de DNA topoisomerase, que alivia a tensão de superenrolamento causada pela transcrição.
Na terminação, a RNA polimerase para de sintetizar o RNA quando atinge uma sequência específica no DNA chamada de região do terminador, que sinaliza o fim da transcrição. A região terminadora pode ter diferentes mecanismos para terminar a transcrição, dependendo se é em procariotas ou eucariotas.Em procariotos, existem dois tipos de terminadores: dependente de Rho e independente de Rho. Os terminadores dependentes de Rho requerem um fator de proteína chamado Rho, que se liga a uma sequência no RNA chamada de Local de utilização de Rho (rotina), e se move junto com ele até atingir a RNA polimerase e fazer com que se dissocie do DNA. Os terminadores independentes de Rho não requerem Rho, mas possuem uma sequência no RNA que forma uma estrutura de loop hairpin seguida por uma cadeia de resíduos U, que desestabiliza o híbrido DNA-RNA e faz com que ele se separe. Em eucariotos, existem diferentes tipos de terminadores para diferentes tipos de RNA: sinal de poliadenilação (AAUAAA) para mRNA, códon de terminação (UAA, UAG ou UGA) para tRNA, e Repetições ricas em C/ricas em G para rRNA.
Em eucariotos, o RNA passa por processamento adicional após a transcrição, antes de poder ser usado para a síntese de proteínas. Este processamento inclui três etapas principais: splicing, capping e tailing. O splicing é a remoção de sequências não codificantes chamadas íntrons do RNA, e junção de sequências codificantes chamadas éxons. O splicing é realizado por um complexo de proteínas e pequenos RNAs denominados spliceossoma, que reconhece os locais de splicing nos limites dos íntrons e éxons, corta e une o RNA. O capping é a adição de um nucleotídeo guanina modificado (7-metilguanosina) à extremidade 5' do RNA, o que o protege da degradação e facilita seu transporte e reconhecimento pelo ribossomo. Tailing é a adição de uma cauda poli-A (uma cadeia de cerca de 200 nucleotídeos de adenina) à extremidade 3' do RNA, que também o protege da degradação e regula sua estabilidade e tradução.
Código genético e tradução
O código genético é o conjunto de regras pelas quais as informações no DNA ou no RNA são traduzidas em proteínas, que são as moléculas funcionais nas células vivas. As proteínas são compostas por unidades menores chamadas aminoácidos, que estão ligados por ligações peptídicas para formar um cadeia polipeptídica. Existem 20 tipos diferentes de aminoácidos nas proteínas, cada um com uma estrutura química e propriedades únicas.
O código genético é baseado na sequência de nucleotídeos no mRNA, que é derivado da sequência de nucleotídeos no DNA. O código genético é lido em grupos de três nucleotídeos chamados códons, cada um dos quais especifica um determinado aminoácido ou um sinal para iniciar ou interromper a síntese de proteínas. Existem 64 códons possíveis (4^3), mas apenas 20 aminoácidos, então alguns aminoácidos são codificados por mais de um códon. Isso torna o código genético degenerar, o que significa que há alguma redundância ou ambiguidade no código. No entanto, o código genético também é não sobreposto, o que significa que cada nucleotídeo pertence a apenas um códon e não há lacunas ou sobreposições entre os códons. Além disso, o código genético é universal, o que significa que é compartilhado por quase todos os organismos vivos, com algumas exceções menores.
O código genético possui alguns códons especiais que possuem funções específicas na síntese de proteínas. Estes são: códon de início (AUG), que inicia a síntese de proteínas e codifica o aminoácido metionina; e códons de parada (UAA, UAG ou UGA), que terminam a síntese de proteínas e não codificam nenhum aminoácido.
A tradução é o processo pelo qual o código genético no mRNA é convertido em uma cadeia polipeptídica usando a ajuda de tRNA, rRNA e ribossomos. tRNA significa RNA de transferência, que é uma pequena molécula em forma de trevo que carrega um aminoácido específico em uma extremidade e possui um anticódon na outra extremidade. O anticódon é uma sequência de três nucleotídeos que é complementar a um códon no mRNA. rRNA significa RNA ribossômico, que é uma molécula grande e complexa que forma o núcleo do ribossomo, onde ocorre a síntese de proteínas. Os ribossomos são compostos de duas subunidades (grande e pequena), cada uma composta de rRNA e proteínas. Os ribossomos têm três sítios para ligação ao tRNA: Um local (local de aminoacil), onde entra um novo tRNA com um aminoácido; Sítio P (sítio peptidil), onde reside um tRNA com uma cadeia polipeptídica crescente; e Local E (local de saída), onde sai um tRNA sem um aminoácido.
A tradução ocorre em três estágios: iniciação, alongamento e terminação. Esses estágios envolvem a interação de mRNA, tRNA, rRNA e ribossomos, bem como vários fatores proteicos e moléculas de energia.
Na iniciação, a tradução começa quando uma pequena subunidade ribossômica se liga à extremidade 5' do mRNA e procura o códon de início (AUG). Ao encontrá-lo, recruta um tRNA com metionina (tRNAConheceu) para parear com ele no site P. Em seguida, uma grande subunidade ribossômica se junta ao complexo, formando um complexo de iniciação. Isso requer a ajuda de vários fatores de iniciação (IFs) e energia do GTP (trifosfato de guanosina).
No alongamento, a tradução continua adicionando mais aminoácidos à crescente cadeia polipeptídica. Isso acontece repetindo três etapas: reconhecimento do códon, formação da ligação peptídica e translocação. No reconhecimento de códons, um novo tRNA com um anticódon apropriado entra no sítio A do ribossomo, correspondendo ao próximo códon no mRNA. Isso requer a ajuda de um fator de alongamento (EF-Tu) e energia do GTP. Na formação da ligação peptídica, o aminoácido no novo tRNA é transferido para o aminoácido no tRNA no sítio P, formando uma ligação peptídica e estendendo a cadeia polipeptídica. Isso é catalisado por uma enzima chamada peptidil transferase, que faz parte da grande subunidade ribossômica. Na translocação, o ribossomo move um códon ao longo do mRNA, deslocando os tRNAs do sítio A para o sítio P, e do sítio P para o sítio E. O tRNA no sítio E é então liberado do ribossomo. Isso requer a ajuda de outro fator de alongamento (EF-G) e energia do GTP.
Na terminação, a tradução termina quando um códon de parada (UAA, UAG ou UGA) é encontrado no mRNA.Esse códon não possui um tRNA correspondente, mas é reconhecido por um fator proteico denominado fator de liberação (RF), que se liga ao sítio A do ribossomo e desencadeia a liberação da cadeia polipeptídica do tRNA no sítio P. O ribossomo então se dissocia em suas subunidades, liberando o mRNA e os tRNAs. Isso requer a ajuda de outro fator de liberação (RF3) e energia do GTP.
Regulação da expressão gênica
A expressão gênica é o processo pelo qual os genes são ativados ou desativados para produzir proteínas em resposta a vários sinais e condições. A expressão gênica é regulada em diferentes níveis em procariotos e eucariotos, dependendo de sua complexidade e organização.
Em procariotos, a expressão gênica é regulada principalmente no nível transcricional, controlando quando e quanto RNA é sintetizado a partir de um gene. Um dos mecanismos comuns para a regulação da transcrição em procariotos é o modelo de operon, que foi proposto por Jacob e Monod em 1961. Um operon é um grupo de genes que são transcritos juntos como uma única unidade, sob o controle de um promotor e operador comuns. O operador é uma sequência de DNA que pode se ligar a uma proteína reguladora chamada repressor, que pode bloquear ou inibir a RNA polimerase de transcrever o operon. O repressor pode ser ativado ou inativado por uma pequena molécula chamada indutor ou co-repressor, dependendo se é um operon induzível ou repressível. Por exemplo, o operon lac em E. coli é um operon induzível que codifica enzimas para o metabolismo da lactose. Normalmente é desligada por um repressor que se liga ao operador, mas quando a lactose está presente, ela atua como um indutor e se liga ao repressor, alterando sua forma e impedindo que se ligue ao operador. Isso permite que a RNA polimerase transcreva o operon lac e produza enzimas para a utilização da lactose.
Em eucariotos, a expressão gênica é regulada em vários níveis: transcricional, pós-transcricional, translacional e pós-traducional. Isso ocorre porque os eucariotos têm genomas e estruturas celulares mais complexos do que os procariontes e precisam de um controle mais preciso e diversificado sobre a expressão gênica.
No nível transcricional, a expressão gênica é regulada pela modificação da estrutura da cromatina e pelo uso de fatores de transcrição. A cromatina é o complexo de DNA e proteínas histonas que forma o genoma eucariótico. A cromatina pode ser modificada adicionando ou removendo grupos químicos (como acetil, metil ou fosfato) às caudas das histonas, o que afeta a acessibilidade do DNA à RNA polimerase e outros fatores. A cromatina pode ser classificada em dois tipos: eucromatina, que é frouxamente compactado e transcricionalmente ativo; e heterocromatina, que é compactado e transcricionalmente inativo. Fatores de transcrição são proteínas que se ligam a sequências específicas no DNA chamadas intensificadores ou silenciadores, que podem ativar ou reprimir a transcrição de um gene, respectivamente. Fatores de transcrição também podem interagir com outras proteínas chamadas coativadores ou corepressores, que podem aumentar ou inibir seus efeitos na transcrição.
No nível pós-transcricional, a expressão gênica é regulada pela modificação do RNA depois que ele é sintetizado a partir do DNA. Isso inclui splicing, capping e tailing, conforme discutido anteriormente, bem como edição, degradação e interferência. A edição é a alteração da sequência de nucleotídeos do RNA por meio da inserção, exclusão ou substituição de bases, que podem alterar o significado do código genético. A degradação é a quebra do RNA por enzimas chamadas ribonucleases (RNases), que pode controlar a quantidade e a estabilidade do RNA na célula. A interferência é o silenciamento da expressão gênica por pequenos RNAs chamados microRNAs (miRNAs) ou pequenos RNAs interferentes (siRNAs), que podem se ligar a sequências complementares no mRNA e impedir sua tradução ou induzir sua degradação.
No nível da tradução, a expressão gênica é regulada pelo controle de quando e quanta proteína é sintetizada a partir do RNA. Isso pode ser influenciado por vários fatores, como disponibilidade e afinidade de ribossomos, tRNAs e aminoácidos; a presença e localização dos códons de início e fim; a estrutura secundária e estabilidade do mRNA; a interação do mRNA com proteínas chamadas fatores de tradução, que pode aumentar ou inibir a tradução; e a inibição do feedback pelos produtos da tradução.
No nível pós-traducional, a expressão gênica é regulada pela modificação da proteína após ela ser sintetizada a partir do RNA. Isso inclui dobramento, clivagem, adição ou remoção de grupos químicos (como fosfato, metil, acetil ou ubiquitina), interação com outras proteínas ou moléculas e degradação. Essas modificações podem afetar a estrutura, função, atividade, localização e estabilidade das proteínas na célula.
Projeto genoma humano e impressão digital de DNA
O projeto do genoma humano foi um empreendimento científico internacional que visava sequenciar e mapear todo o genoma humano, que consiste em cerca de 3 bilhões de pares de bases de DNA distribuídos em 23 pares de cromossomos. O projeto foi lançado em 1990 e concluído em 2003, com a participação de milhares de cientistas de vários países e disciplinas. Os principais objetivos e realizações do projeto foram:
Identificar todos os genes do genoma humano (cerca de 20.000-25.000) e suas funções.
Determinar as variações no genoma humano entre diferentes indivíduos e populações (como polimorfismos de nucleotídeo único ou SNPs).
Comparar o genoma humano com outros genomas de animais, plantas e microorganismos (como chimpanzés, camundongos, arroz e levedura).
Desenvolver novas tecnologias e ferramentas para análise e manipulação genômica (como máquinas de sequenciamento, software de bioinformática e terapia gênica).
Abordar as implicações éticas, legais e sociais da pesquisa e aplicações genômicas (como privacidade, propriedade, discriminação e educação).
O projeto genoma humano tem muitas aplicações e desafios em vários campos da medicina, biotecnologia e ética. Algumas delas são:
Diagnosticar, tratar e prevenir doenças genéticas (como fibrose cística, anemia falciforme e câncer).
Desenvolver medicina personalizada com base em perfis genéticos individuais (como farmacogenômica).
Compreender a base molecular de traços e comportamentos complexos (como inteligência, personalidade e transtornos mentais).
Para rastrear a ancestralidade e evolução humana (como DNA mitocondrial e análise do cromossomo Y).
Para criar organismos geneticamente modificados (como animais e plantas transgênicas).
Proteger os direitos humanos e a dignidade (como consentimento informado, confidencialidade e respeito).
A impressão digital de DNA é uma técnica que usa DNA para identificar indivíduos com base em sua composição genética única. A impressão digital do DNA é feita usando enzimas de restrição para cortar o DNA em fragmentos de tamanhos diferentes; eletroforese em gel para separar os fragmentos por tamanho; e sondas de hibridação para marcar e detectar fragmentos específicos que variam entre os indivíduos. Esses fragmentos são chamados polimorfismos de comprimento de fragmento de restrição (RFLPs), e formam um padrão de bandas no gel que é único para cada indivíduo. Este padrão é chamado de impressão digital de DNA, e pode ser usado para comparar e corresponder amostras de diferentes fontes.
A impressão digital de DNA tem muitas aplicações e limitações em vários campos forenses, testes de paternidade e doenças genéticas. Algumas delas são:
Para identificar suspeitos ou vítimas de crimes (como assassinato, estupro ou sequestro).
Para estabelecer relações biológicas ou de herança (como paternidade, maternidade ou parentesco).
Para diagnosticar ou rastrear distúrbios ou mutações genéticas (como doença de Huntington ou fibrose cística).
Para enfrentar os desafios de precisão, confiabilidade e validade (como erro humano, contaminação ou fraude).
Respeitar as questões éticas, legais e sociais de privacidade, consentimento e discriminação (como confidencialidade, propriedade e direitos).
Conclusão
Neste artigo, fornecemos notas sobre o Capítulo 6 de Biologia da Classe 12, que cobre a base molecular da herança. Discutimos a estrutura, função e regulação do DNA e do RNA, bem como os processos de replicação, transcrição e tradução. Também explicamos o código genético e suas características, bem como os mecanismos de expressão gênica em procariotos e eucariotos. Finalmente, introduzimos algumas aplicações da biologia molecular no projeto do genoma humano e na impressão digital de DNA.
Esperamos que estas notas o ajudem a revisar e se preparar para o exame de Biologia CBSE Class 12. Você pode baixar essas notas como um arquivo PDF no link fornecido abaixo. Se você tiver alguma dúvida ou comentário, sinta-se à vontade para entrar em contato conosco.
Feliz aprendizado!
perguntas frequentes
Qual a diferença entre DNA e RNA?
Quais são os três estágios da transcrição?
Quais são os códons especiais no código genético?
O que é um operon e como ele regula a expressão gênica em procariontes?
Quais são as etapas envolvidas na impressão digital de DNA?
Respostas
DNA e RNA são ácidos nucléicos que armazenam e transmitem informações genéticas, mas apresentam algumas diferenças em sua estrutura e função. O DNA possui um açúcar desoxirribose, uma base de timina, uma hélice de fita dupla e uma molécula estável que fica no núcleo. O RNA possui um açúcar ribose, uma base de uracil, uma molécula de fita simples que pode formar estruturas secundárias e uma molécula menos estável que pode deixar o núcleo.
Os três estágios da transcrição são iniciação, alongamento e terminação. Na iniciação, a RNA polimerase liga-se à região promotora do DNA e forma o complexo de iniciação da transcrição. No alongamento, a RNA polimerase sintetiza o RNA a partir de uma das fitas de DNA (a fita molde) na direção 5' para 3'. Na terminação, a RNA polimerase para de sintetizar o RNA quando atinge a região terminadora no DNA e libera o RNA.
Os códons especiais no código genético são o códon de início (AUG) e os códons de parada (UAA, UAG ou UGA). O códon de iniciação inicia a síntese de proteínas e codifica o aminoácido metionina. Os códons de parada terminam a síntese de proteínas e não codificam nenhum aminoácido.
Um operon é um grupo de genes que são transcritos juntos como uma única unidade, sob o controle de um promotor e operador comuns. O operador é uma sequência de DNA que pode se ligar a uma proteína reguladora chamada repressor, que pode bloquear ou inibir a RNA polimerase de transcrever o operon. O repressor pode ser ativado ou inativado por uma pequena molécula chamada indutor ou co-repressor, dependendo se é um operon induzível ou repressível.
As etapas envolvidas na impressão digital de DNA são: extração de DNA de uma amostra; digestão de DNA por enzimas de restrição; separação de fragmentos de DNA por eletroforese em gel; transferência de fragmentos de DNA para uma membrana por blotting; hibridização de fragmentos de DNA com sondas marcadas; detecção de fragmentos hibridizados por autorradiografia; e comparação e correspondência de impressões digitais de DNA.
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