22/11/2015

Genes

Um gene é uma unidade de informação hereditária que determina, num organismo, o seu funcionamento e as suas características. Nos humanos, genes ligeiramente diferentes são responsáveis pela formação dos grupos sanguíneos A e B (mas poderíamos falar de tantos outros, cor dos olhos, estatura, sexo, inteligência, etc. - devo no entanto salientar que a informação é moldada e alterada pelo meio ambiente e por nós. «A combinação dos genes com o meio ambiente produz um resultado final e temos o poder de moldar onosso próprio ambiente: se os genes são a partitura, nós somos o maestro»- Genes e o ciclo da vida, Reader's Digest). Uma característica deriva, em muitos casos, da combinação de vários genes. A estatura potencial de cada um de nós, por exemplo, resulta da ação simultânea de vários genes, o que representa uma característica multifactorial.
A combinação dos genes é partilhada pelos demais seres humanos, que também têm muitos genes em comum com outros organismos do planeta.
Um gene é, basicamente, um pedaço de informação que tem de ser codificado e armazenado fisicamente para que possa ser utilizado, copiado e transmitido. Durante anos os cientistas procuraram a molécula responsável por este processo - descobriram-na no núcleo de cada célula.

A molécula
No núcleo de cada célula existe ácido desoxirribonucleico (ADN), que transporta a nossa informação genética na forma de um código. Este código é determinado pela estrutura molecular e combinação do ADN em pares de bases.
Estes pares codificam a sequência dos aminácidos que constituem as proteínas. No caso do ser humano, este tem 20 aminoácidos possíveis, logo o ADN, tem pelo menos 20 codões (unidades de informação que especificam cada uma, um aminoácido diferente).
Existem quatro bases que podem formar as "letras" de um codão. Se o comprimento máximo de um codão fosse duas bases, haveria apenas 16 combinações possíveis, insuficientes para codificar 20 aminoácidos. Assim, cada codão, tem, pelo menos, três bases (tripleto), permitindo a formação de 64 codões, dos quais 60 codificam aminoácidos (são precisos vários codões para produzir certos aminoácidos). Um deles é um sinal de "iniciação" enquanto os outros três são sinais de "terminação".

O ADN
O ADN está estruturado em forma de escada, com dois filamentos que se juntam no meio. Os lados da escada são formados por cadeias de moléculas de açúcar e fosfato, enquanto os degraus correspondem a compostos chamados "bases" (mencionadas acima). Existem quatro tipos de bases de ADN - adenina, guanina, citosina e timina (respetivamente, A, G, C e T). A A e G são bases grandes, enquanto a C e T são pequenas. A característica crucial do ADN tem a ver com o facto de os degraus da escada serem feitos de "pares de bases", em que cada base menor se associa a uma maior. As bases têm formas complementares, o que lhes permite juntarem-se sempre do mesmo modo (A só se junta a T e G só se junta a C).
As bases de um filamento da escada de ADN são sequenciadas, o que significa que basta um filamento de ADN para conhecer o outro filamento associado.

Os cromossomas
Os cromossomas são estruturas alongadas, semelhantes a filamentos, que se encontram no núcleo das células. São constituídos por uma molécula de ADN associada a uma proteína. Cada gene contém uma informação genética, isto é, um conjunto de instruções codificadas para a síntese de um composto orgânico, muitas vezes uma enzima, que por sua vez controla o aparecimento de uma determinada característica (ou parte dela). Algumas características são determinadas apenas por um gene, por exemplo a altura da ervilheira, no exemplo da publicação "Hereditariedade". Outras são determinadas por vários genes que interagem, por exemplo, a cor do cabelo nos humanos.


Ao número total de cromossomas existentes em cada célula chama-se número diplóide (com exceção das células sexuais). Nas células diplóides os cromossomas estão organizados aos pares, são os pares homólogos.
Numa zona específica do cromossoma, chamado locus (plural loci), os cromossomas homólogos possuem os genes responsáveis pelo mesmo carácter ou pela síntese do mesmo composto orgânico. Por exemplo, no locus A de um par de homólogos, ambos os cromossomas possuem o gene responsável pela cor dos olhos

A produção dos genes
Os genes expressam-se pelas proteínas formadas de acordo com as suas instruções de ADN. As proteínas são moléculas versáteis. Algumas tornam-se elementos estruturais, como a queratina, que forma o cabelo e as unhas, ou a miosina, componente das fibras musculares. Algumas tornam-se ainda catalisadores biológicos, as chamadas "enzimas", que ajudam a formar ou desmontar outros tipos de moléculas. A pepsina, por exemplo, é uma enzima que ajuda o sistema digestivo a decompor as proteínas dos alimentos.

Transcrição e tradução
A produção de proteínas ocorre em duas fases:
  1. A hélice de ADN desenrola-se e os filamentos separam-se para que um deles possa servir de modelo para a produção de mARN (o ARN é um ácido nucleico. mARN - ARN mensageiro). O ADN é copiado a partir do mARN que passa do núcleo para o citoplasma da célula para que possa ocorrer a tradução. No citoplasma, agrega-se ao ribossoma (unidade proteica).
  2. O ribossoma move-se ao longo do filamento de mARN, seleccionando os aminoácidos correspondentes a cada um dos seus codões. Os aminoácidos são transferidos em cadeias curtas de outro tipo de ARN (o ARN de transferência ou tARN). Este também é produzido no núcleo e transportado para o citoplasma para produzir proteínas. São seleccionados fragmentos de tARN e é tentado um emparelhamento. Se o anticodão (as três bases do tARN. Têm uma estrutura em forma de trevo cujo a cujo caule está preso o aminoácido) mARN corresponder ao codão mARN, o ribossoma tira o aminoácido do tARN e junta-se ao aminoácido sequencialmente anterior. O ribossoma move-se ao longo de outras três bases e lê o próximo codão, repetindo o processo de modo que a cadeia de aminoácidos cresça. A cadeia completa é libertada pelo ribossoma e inicia-se a dobragem da mesma. Finalmente, a cadeia de aminoácidos dobra-se, resultando na proteína final.
A replicação do ADN
Um dos segredos do sucesso dos seres vivos é a facilidade de replicação do ADN, fielmente transmitido às novas células, devida à natureza complementar dos seus pares de bases. Cada cadeia da hélice dupla pode servir de modelo a uma nova cadeia
  • Fases de replicação do ADN:
  1. As enzimas separam os dois filamentos de bases, à semelhança do que sucede com a abertura de um fecho de correr;
  2. Junção dos filamentos complementares: outras enzimas tentam emparelhar bases expostas dos filamentos de ADN. Se as bases forem correspondentes, as enzimas juntam os seus grupos de açucar e fosfato para produzir um novo filamento correspondente de ADN;
  3. Nova hélice dupla: cada metade do ADN separado torna-se  uma nova hélice dupla, existindo duas hélices duplas de ADN onde outrora só existia uma. O ADN foi replicado.

As Proteínas
Falámos acima de proteínas, mas o que são propriamente? A célula é, em grande parte, constituída por proteínas.
As proteínas estruturais são os materiais de construção da fábrica celular, enquanto que as proteínas enzimáticas são como que os «químicos» que catalisam e controlam a imensidade de reações que se desenrolam simultaneamente.
Existem, provavelmente, cinco mil famílias diferentes de proteínas nas células animais e vegetais. Cada uma delas tem uma função bem definida. Exemplos de alguns tipos de proteínas estruturais: a caseína do leite, a fibroína da seda, a queratina das unhas, dos cabelos ou da lã e a albumina do ovo. São também proteínas a insulina, o colagénio, os anticorpos, a hemoglobina ou as toxinas d veneno de cobra. Por muito diferentes que possam ser, todas as proteínas são constituídas pelos mesmos elementos básicos. Estes elementos (moléculas relativamente simples constituídas por poucas dezenas de átomos) encontram-se ligados uns aos outros como as carruagens de um comboio. Uma proteína típica contém cerca de duas centenas destes elementos, que podem ter formas e funções diferentes, mas cujo sistema de ligação é idêntico para todos. A este sistema de ligação dá-se a designação de aminoácidos, porque as extremidades ácido e amina reagem uma com a outra para constituir, por eliminação da água, uma sólida ligação química.
Existem nos seres vivos cerca de vinte tipos diferentes de aminoácidos. Com estes vinte aminoácidos podem fabricar-se um número prodigioso de proteínas. É a ordem pela qual se dispõem os aminoácidos que confere a cada proteína as suas características próprias. Com efeito, esta ordem de sucessão determina a estrutura em três dimensões da proteína (a sua forma). É desta estrutura qu depende a sua função.

As Células
Na verdade, a pessoa que éramos há dois anos já não existe. Quase todas as células do nosso corpo morreram, tendo sido substituídas por outras. O processo subjacente a esta renovação é tão responsável pela evolução como pelo cancro.
Dos triliões de células, cada uma com a sua estrutura e função, os cientistas descobriram que existem apenas 200 tipos básicos de células, todas com um núcleo que alberga materail genético e outras estruturas designadas de organelas. As células combinam-se para formar tecidos (as células, por sua vez são constituídas por proteínas, ver item acima), entre os quais:
  • o tecido epitelial - cobre as partes expostas do corpo, formando uma barreira. As células epiteliais revestem os aparelhos digestivo, respiratório e urinário e produzem secreções glandulares.
  • o tecido muscular - este tecido ao sofrer contrações permite os movimentos voluntários e involuntários do corpo empurrando, por exemplo, os alimentos pelo sistema digestivo. O coração é um músculo.
  • Tecido neural - é responsável pelo transporte de informação e conduz os impulsos eléctricos. Está relacionado com os sentidos e com as respostas aos estímulos externos.
  • - o tecido conjuntivo - fornece o apoio estrutural a outros tecidos e órgãos e armazena energia. Forma a pele e o esqueleto.
Todas as células se duplicam por mitose, com exceção dos gâmetas (células sexuais) que sofrem um processo diferente, a meiose:
  • Mitose - em períodos de crescimento e para compensar danos celulares, muitos tipos de células são continuamente substituídas através da divisão celular. Na maior parte das células, é necessária a produção de duas células-filhas idênticas, contendo um complemento completo de cromossomas. A replicação do ADN ocorre quando as células estão prestes a dividir-se:
  1. O ADN agrega-se em 46 cromossomas. Estes são duplicados, produzindo duplos cromossomas em forma de X;
  2. As estruturas filamentares ao longo da célula e do cromossoma duplo dispõem-se na cadeia helicoidal.
  3. Os cromossomas duplicados são separados pelo movimento helicoidal, de forma que um grupo de 46 cromossomas se desloca para um dos lados da célula e o outro para o outro lado;
  4. A célula divide-se em duas, dando origem a duas células-filhas, cada uma com um grupo completo de cromossomas idêntico.
  • Meiose - Os gêmetas passam por um processo ligeiramente diferente da mitose, no qual são produzidas quatro células-filhas, em vez de duas. Cada uma termina com apenas metade de um grupo de cromossomas:
  1. Os cromossomas são replicados para produzir cromossomas duplos, tal como sucede na mitose.
  2. Durante o processo chamado crossing-over, os pares de cromossomas correspondentes entram em contacto e enrolam-se. Algumas secções dos cromossomas são trocadas entre cromossomas correspondentes, deslocando os genes entre os pares de cromossomas correspondentes.
  3. Formam-se fusos e metade dos pares de cromossomas são empurrados para cada extremidade da célula.
  4. A célula divide-se, dando origem a duas células, contendo cada uma delas um grupo de 23 cromossomas duplos (em vez dos 46 cromossomas simples da mitose).
  5. Formam-se novos fusos e os cromossomas duplos são separados, tal como na fase 3 da mitose.
  6. As células dividem-se, pela última vez, produzindo quatro células-filhas, cada uma com 23 cromossomas diferentes dos das restantes células.

Genes letais
Os genes letais surgem ocasionalmente devido a certas alterações num alelo normal. Um alelo letal dominante, isto é, que provoca a morte no caso do individuo pode ser homozigótico ou heterozigótico é removido rapidamente da população onde surgiu, pois os individuos atingidos raramente atingem a maturidade. No caso do alelo letal ser recessivo a morte do individuo só surge quando este é homozigótico. Os genes letais recessivos em heterozigotia têm uma permanência prolongada nas populações.

Crossing-over
Foi mencionado em cima, aquando da explicação da duplicação das células, o fenómeno de crossing-over. Mas do que se trata?
Os genes vinculados (ligados) podem separar-se pelo fenómeno que ocorre durante a profase 1 da meiose (as fases da duplicação da células serão expostas na página Célula). A separação destes genes recebe o nome de crossing-over ou permutação. Este processo consiste na troca de partes de cromossomas entre os homólogos.
Quando ocorre o crossing-over, nem todos os descendentes possuirão os fenótipos parentais, surgindo em seu lugar, fenótipos recombinantes. A divisão do número de recombinantes pelo número total de descendentes fornece as frequências de recombinação. As frequências de recombinação são tanto maiores  quanto mais afastados estiverem os dois loci, uma vez que tal facilita a separação e recombinação durante a meiose.

Expressão génica
A regulação da expressão génica ocorre a diferentes níveis nas células. Nos procariontes a regulação da expressão génica é fundamental para a sua sobrevivência e está relacionada com a eficiência  energética e o consumo de recursos disponíveis, permitindo que se ajustem ao seu metabolismo e às modificações que ocorrem no meio.
A expressão génica está na base da diferenciação celular e é controlada por agentes exógenos (concentração extracelular de açucares utilizados em vias metabólicas para fornecimento de energia; o calor) e endógenos (hormonas esteróides). A testosterona e muitas outras hormonas permitem regular a síntese proteica, pois são capazes de activar a expressão de genes. As células quando se encontram sujeitas a temperaturas superiores a 42ºC, mesmo que seja por curtos períodos de tempo, sofrem alterações nas suas proteínas.
Os principais níveis de regulação nos eucariontes ocorrem ao nível da transcrição, processamento mARN e tradução.
Nos procariontes, o controlo da expressão génica tem por base os operões:

Tipos de operõesCaracterísticas

Operões indutíveis
- Promovem o funcionamento dos genes estruturais;
- Estão normalmente associados a reações catabólicas, como, por exemplo, o catabolismo dos glícidos.

Operões repressíveis
- Estão normalmente associados ao controlo de genes envolvidos no anabolismo de substâncias essenciais à célula, como, por exemplo, os aminoácidos. Exemplo: o operão de do triptofano ou operão trp.

Mutações
As mutações são as alterações permanentes do genoma dos indivíduos e os indivíduos que as possuam chamam-se mutantes. As mutações podem ocorrer a nível dos genes ou do comossoma.
As mutações podem surgir em qualquer altura da vida de um ser vivo e afectar qualquer célula. As mutações podem ocorrer nas células somáticas e nas células reprodutoras. As mutações somáticas não se transmitem à descendência, isto é, não são hereditárias. As mutações que ocorrem nas células reprodutoras transmitem-se à descendência (têm um caracter evolutivo). Este tipo de mutações não afeta o fenótipo dos indivíduos onde ocorreram.
As mutações podem ser:
  • Génicas
  • Cromossómicas: estruturais (aberrações):
  1. por deficiencia ou delecção
  2. por duplicação
  3. por translocação simples ou recíproca
  4. por inversão
            Númericas
  1. por aneuploidia
  2. por euploidia

Mutações génicas


As mutações génicas são aquelas que afectam um reduzido número de nucleótidos da molécula de ADN. Este tipo de mutações ocorre, normalmente, no momento da duplicação dos genes. As doenças mais frequentes provocadas por este tipo de mutações são: a fenilcetonúria e a anemia falciforme ou drepanocitose. As mutações génicas são alterações da estrutura do gene sendo, portanto, transmissíveis hereditariamente.
As mutações ocorrem espontaneamente, mas a probabilidade de elas ocorrerem  pode ser aumentada por certos agentes ambientais chamados agentes mutagénicos que podem ser físicos ou químicos. Dos agentes físicos citam-se as radiações ionizantes e os raios ultravioletas. Entre os agentes químicos estão os sais de metais radioativos, o gás de mostarda, o formol, as anilinas, o alcatrão, etc.
Mutações cromossómicas
As mutações cromossómicas são transformações estruturais ou numéricas dos cromossomas. As mutações estruturais denominam-se aberrações cromossómicas e podem ocorrer por deficiência ou deleção (falta de pedaço do cromossoma), por duplicação (há um pedaço duplicado no cromossoma), por translocação simples (um segmento de um cromossoma liga a outro não homólogo), por translocação recíproca (cromossoma não homólogos trocam genes entre si) e por inversão (um cromossoma é bifracturado e o pedaço solto sofre uma rotação de 180º e liga-se novamente ao cromossoma).
Mutações numéricas
As mutações numéricas alteram o número de cromossomas das células. As mutações numéricas podem ocorrer por aneuploidia e por euploidia. Aneuploidia é a alteração do número de cromossomas por acréscimo ou perda, afecta geralmente um par de homólogos. Daí os nomes monossomia (perda de um cromossoma do genoma, isto é 2n-1), nulissomia (falta de uma par de cromossomas homólogos, ou seja 2n-2), trissomia (acréscimo de um cromossoma ao genoma, isto é, 2n+1). Euploidia é a alteração numérica do genoma completo (2n, 4n...).

Causas das mutações
Qualquer agente responsável por uma mutação é um agente mutagénico e o processo que conduz ao seu aparecimento é a mutagénese.
São agentes físicos mutagénicos os raios X, os raios gama, os raios cósmicos e os raios ultra-violeta: são agentes químicos mutagénicos o ácido nitroso, as nitrosaminas, a colquicina, os gás mostarda e aldeido fórmico e as moléculas análogas à base de ADN. Devido à falta de protecção contra os agentes químicos, supõe-se que estes terão maior efeito no Homem do que os agentes físicos.
Alguns dos agentes mutagénicos (agentes carcinogenios) provocam mutações em genes envolvidos no controle da divisão celular e, por isso, são responsáveis pelo aparecimento de cancro.
O termo cancro, ou tumor maligno, ou neoplasia maligna diz respeito a um conjunto muito heterogéneo e multifactorial de doenças que têm em comum o facto de  apresentarem o crescimento de um tecido neoformado.

Os genes e o envelhecimento
Um dado crucial para a descoberta da fonte do envelhecimento a nível celular foi a descoberta do limite de Hayflick. O limite de Hayflick é o número máximo de vezes que uma célula se divide em laboratório antes de parar e morrer. O número varia consoante as espécies e corresponde à sua esperança média de vida. Num rato ocorrem cerca de 15 e os ratos vivem cerca de 3 anos. Para as células das tartarugas gigantes das Galápagos, que vivem até 175 anos, o limite é 110. Para o ser humano, o limite é entre 50 e 70.

Telómeros e telomerase
A existência de tal limite sugere que, ao dividir-se, há algo na célula que se desgasta - os telómeros, partículas situadas nas extremidades dos cromossomas que impedem o ADN de se dividir como um fio solto. Cada vez que uma célula se divide, os seus telómeros tornam-se mais pequenos, até pararem de funcionar e os cromossomas se deteriorarem. A célula deixa de se dividir, envelhece e morre. Este processo que se repete em todo o corpo, é parcialmente responsável pelo envelhecimento.
Algumas células produzem telomerase, enzima capaz de reparar os telómeros e proteger os cromossomas. Entre tais células incluem-se as células estaminais do sangue e da pele, o esperma e os óvulos, considerados imortais. A maioria das células restantes deixa de ativar a telomerase pouco depois da sua formação. Se algo corre mal e começam a produzi-la de novo, tornam-se cancerosas.

O envelhecimento é provocado em grande parte por danos no ADN e noutros componentes celulares. A maioria dos danos provém dos radicais livres, moléculas altamente reativas produzidas por um metabolismo normal, e de factores externos, como os raios UV, a radiação, as toxinas, os vírus, etc. Os radicais livres deslocam-se pelas células destruindo tudo à sua passagem, alterando o ADN e aglutinando moléculas que obstruem as células. Quando uma célula acumula danos, deixa de poder ser reparada e morre.

Notas
Aminoácido: composto químico orgânico que se associa a outros para produzir proteínas; 20 aminoácidos básicos em várias combinações produzem todas as proteínas  do corpo humano.
Cromossoma: estrutura existente no núcleo da célula formada por genes. Nos humanos 23 pares de cromossomas (cada par contendo um cromossoma de cada progenitor) transportam o código genético individual.
Ácido desoxirribonucleico (ADN): este composto carbónico, conhecido por biomolécula, transporta a informação codificada que determina todas as características de uma planta ou animal.
Gene: unidade da hereditariedade transmitida de pais para filhos. Os genes são peças de ADN e a maioria dos genes contém informação para a produção de determinada proteína.
Proteína: Molécula composta por uma ou mais cadeias de aminoácidos ordenados. As proteínas são necessárias à estrutura, funcionamento e regulação das células, tecidos e órgãos do corpo, e cada uma tem funções específicas.
Evolução: A evolução depende da variedade. é necessário que os membros de uma espécie sejam diferentes para que a selecção natural recaia naqueles que têm mais hipóteses de sucesso. A meiose e a reprodução sexual são uma fonte desta variedade. Na reprodução sexual, os genes de ambos os progenitores juntam-se para formar um novo indivíduo, enquanto a mistura genética é aumentada com o cruzamento que se dá durante a formação dos gâmetas. Contudo, a fonte principal da variação é a mutação. O genoma apresenta mutações aleatórias constantes. A maioria destas não influencia as hipóteses de o organismo de sobreviver, mas algumas dão aos portadores melhores hipóteses de sobrevivência, reproduzindo-se e transmitindo as suas mutações, criando novas espécies, mais adaptadas ao seu meio.
Operão: unidade genética de transcrição que inclui genes estruturais e pelo menos dois genes reguladores, o promotor e o operador.
Operador: porção do ADN, entre o gene promotor e os genes estruturais, onde se pode ligar uma molécula (indutora ou repressora) que regula a transcrição.




Fontes:
Guia essencial de Biologia, Rebecca Treays, Editorial Presença, 1ª edição 1996
Genes e o Ciclo da Vida, Selecções Reader's Digest, Dezembro 2004
A Aventura da Vida, Joël de Rosnay, Livraria Almedina, 1989
Biologia, 12º O Essencial, António Santos, Magda Sofia Santos, Maria Dulce Santos, Edições Asa, Março de 2007
Dicionário Temático Larousse - Biologia, Denis Buican, Temas e Debates e Larousse, 2007

Desejo

«O condenado à morte deixou transparecer uma alegria comovida ao saber do indulto. Mas ao cabo de algum tempo, acentuando-se as melhora...