Prateleira

Biologia é um assunto enorme. O planeta Terra contém um conjunto impressionante de formas de vida. Já sabemos da existência de 286.000 espécies de plantas floríferas, 500.000 espécies de fungos e 750.000 espécies de insectos. Além disso, ainda estão a ser descobertas mais espécies de maníacos. Há 50 anos atrás, a ciência da biologia foi dividida em disciplinas separadas, cada uma analisando a vida a um nível diferente. A morfologia, a fisiologia, a bioquímica, a taxonomia, a ecologia, a genética, e assim por diante, todas trabalhando em grande parte em compartimentos acadêmicos separados. No entanto, as descobertas genéticas têm fornecido alguns dos temas unificadores mais importantes para toda a biologia, de modo que agora os fios conceituais ligam as subdisciplinas.

O principal fio temático fornecido pela genética é literalmente um fio, o DNA da molécula genética. Sabemos agora que o DNA é a base informacional subjacente a todos os processos e estruturas da vida. A molécula de DNA tem uma estrutura que responde por duas das principais propriedades da vida, a reprodução e a geração da forma. Aprenderemos neste livro que o DNA é uma estrutura adouble-helical cujo design inerente é tal que pode ser replicado tomake duas cópias idênticas. A replicação do DNA é a base de toda a reprodução, celular e do organismo. O DNA se replica antes da divisão celular, e isso permite que os cromossomos se dividam em cromossomos, que eventualmente se tornam cromossomos filhos, que passam para as células filhas. Este processo de replicação e cromatoformação é essencialmente similar durante a divisão das células assexuadas e sexuais, e é diagramado na Figura 1-8. (Note, entretanto, que os dois tipos de divisão celular têm muitas diferenças, que serão abordadas em capítulos posteriores). Assim, vemos que é a propriedade da replicação do DNA que permite a realização de réplicas de células e organismos e sua persistência através do tempo (Figura 1-9). Assim, o DNA pode ser visto como o fio que nos liga a todos os nossos antepassados evolutivos. Além disso, o DNA gera forma porque escrito na seqüência linear dos blocos de construção da molécula de aDNA é um código que contém as instruções para a construção de um organismo; podemos ver isso como informação, ou “aquilo que é necessário para dar forma”. As características únicas de uma espécie, sejam estruturas ou processos, estão sob a influência do aDNA. Assim, subjacentes às estruturas estudadas pelos morfólogos, as reacções estudadas pelos fisiologistas, as homologias estudadas pelos evolucionistas, etc., vemos o fio unificador da molécula de ADN.

Figure 1-8

Quando novas células são feitas, a replicação de DNA permite que um cromossomo se torne um par de cromossomos, que eventualmente se tornam cromossomos filhas e passam para as novas células.

Figure 1-9

Replicação de DNA é a base da perpetuação da vida através do tempo.

DNA funciona praticamente da mesma forma em todos os organismos. Isto em si proporciona um outro tema unificador, mas além disso significa que o que aprendemos em um organismo pode, em princípio, ser aplicado a outros. Por esta razão, a genética tem feito uso extensivo de organismos modelo, muitos dos quais aparecerão nas páginas deste livro. De fato, os avanços feitos na genética humana sobre as décadas recentes foram possíveis em grande parte devido aos avanços feitos com organismos modelo como bactérias e fungos.

A genética também forneceu algumas das abordagens analíticas mais incisivas que agora estão sendo utilizadas em todo o espectro das disciplinas biológicas. A mais importante é a técnica de dissecção genética. Na abordagem experimental, qualquer estrutura ou processo pode ser separado, ou “dissecado”, observando como os genes mutantes o influenciam. Ao estudar a anormalidade, podemos deduzir o caso normal. Por exemplo, no estudo do desenvolvimento de organismos adultos a partir de um óvulo fertilizado, cada gene mutante que produz anormalidade de desenvolvimento identifica um componente no processo normal de desenvolvimento. A dissecção genética de estirpes mutantes paralisadas de vermes nematódeos levou a uma compreensão dos genes que controlam o movimento normal. O quadro geral de um processo em particular pode ser montado pela interrelação de todos estes componentes geneticamente controlados.

Vimos que a engenharia genética molecular abriu novas perspectivas na biotecnologia aplicada, mas as mesmas técnicas são igualmente úteis na pesquisa básica. Os cientistas manipularam genes em leveduras para produzir cromossomos totalmente artificiais e funcionais que podem transportar enormes quantidades extras de DNA para fins experimentais específicos. Mesmo os cromossomas humanos artificiais foram feitos recentemente, e estes podem ser introduzidos em células de mamíferos, humanos ou não. A capacidade de isolar o agene em um tubo de ensaio, de modificar sua estrutura de maneiras específicas, e então reinserir no organismo tem fornecido o mais aguçado dos bisturis para dissecção genética.

Outra técnica bem sucedida é o uso de genes específicos como marcadores. Assim como você pode usar marcadores coloridos para marcar animais ou plantas em estudo somebiológico, os geneticistas usam certas formas facilmente detectáveis de genes para manter a trilha de estruturas – cromossomos, células ou indivíduos. Esta técnica tem encontrado aplicação em toda a amplitude das disciplinas biológicas, da forense à biologia celular, passando pela evolução e ecologia. Por exemplo, os genes para doenças humanas estão agora a ser isolados em virtude da sua proximidade cromossómica com marcadores não relacionados (a técnica da clonagem posicional). Com a capacidade de mover genes de organismo para organismo, os geneticistas substituíram os genes residentes por genes “repórteres”, cujas funções são mais fáceis de detectar e estudar experimentalmente. (O gene Areporter é um tipo de gene marcador que marca a função e não a estrutura). O gene luciferase dos pirilampos tem sido usado desta forma; o gene pode serinserido em cromossomos animais ou vegetais de tal forma que faz com que as células brilhem em qualquer estágio de desenvolvimento em que o gene original naquele local estava ativo. Agene para proteína fluorescente verde de medusas também é usado como repórter. Com este gene brilha verde sob irradiação UV (Figura 1-10). Ao todo, a engenharia genética revolucionou as ciências teológicas, e nenhum biólogo hoje pode se dar ao luxo de ignorar esta poderosa ferramenta analítica.

Figure 1-10

Ratos transgênicos contendo o gene da água-viva para proteína verde fluorescente inserida em seus cromossomos. (KYODO News International/AP.)

Talvez a maior história de sucesso biológico de todas seja a elucidação de como precisamente os genes fazem o seu trabalho, por outras palavras, como a informação se torna forma. É uma história fascinante, que se desenvolveu com uma surpreendente rapidez. Hoje a codificação e o fluxo de informação genética nas células são fundamentos do pensamento biológico moderno e linhas de base a partir das quais se iniciam as explorações experimentais. Vale a pena resumir os destaques de como a informação genética flui ou, de forma equivalente, como os genes agem – o que tem sido chamado de novo paradigma dabiologia. A Figura 1-11 mostra diagramograficamente os aspectos essenciais da ação dos genes em uma célula generalizada de um eucariote. Os eucariotas são aqueles organismos cujas células têm núcleo vinculado a amembranas. Animais, plantas e fungos são todos eucariotas. No interior do duende é encontrado um conjunto de cromossomos, e fora do núcleo é um conjunto complexo de estruturas membranosas, incluindo o retículo endoplasmático e o aparelho de Golgi, e organelas como as mitocôndrias e cloroplastos.

Figure 1-11

Visão simplificada da ação do gene em uma célula eucariótica. O fluxo básico de informação genética é do DNA para o RNA para as proteínas. Quatro tipos de genes são mostrados. O gene 1 responde a sinais regulatórios externos e faz aprotein para exportação; o gene 2 responde a (mais…)

Dentro do núcleo eucariótico, alguns genes codificadores de proteínas sintetizam seu produto protéico mais ou menos constantemente, mas outros têm que ser ligados e desligados para se adequar aos genes da célula ou do organismo. O sinal para ativar um gene pode vir de fora da célula, de uma substância como, por exemplo, uma hormona esteróide. Ou o sinal pode vir de dentro da célula, por exemplo, de um gene regulatório especial cuja função é ligar e desligar outros genes. As substâncias reguladoras ligam-se a uma região especial do gene e iniciam a síntese das transcrições do DNA do gene. Interpolados na região codificadora de proteínas de um gene eucariótico, existem segmentos que não estão destinados a serem desnaturados em proteínas. Estas regiões não-codificadoras do gene são chamadasintrons; estas são recortadas da transcrição inicial. A sequência do RNA restante constitui o RNA mensageiro. As moléculas do mRNA passam através dos poros entãoucleares para o citoplasma, onde organelas citoplasmáticas chamadasribossomos se ligam ao mRNA e traduzem a informação nelas sequência de RNA em proteína. O mRNA passa através dos ribossomos, que catalisam a montagem do polipéptido, o fio de aminoácidos que constituirá a estrutura primária da proteína. Cada aminoácido é trazido ao ribossomo por transferência específica de RNA (tRNA) molécula que atraca em uma unidade codificadora específica do mRNA. Os tRNAs são sintetizados a partir de genes especiais de tRNA. Nenhum tRNAs é traduzido em proteína; eles reciclam constantemente, entregando seu ácido especifico deamino aos ribossomos. O ribossomo em si é feito de um conjunto complexo de proteínas mais vários tipos de RNA chamado RNA ribossomal (rRNA). Os genes para o rRNA estão localizados numa região cromossómica especial chamada de organizador thenucleolar. Como o tRNA, o rRNA nunca é traduzido em proteína.

MESSAGE

Função dos genes codificadores de proteína através de dois passos de transferência de informação:

Cada gene codificador de proteína para uma proteína separada, com funções específicas ou dentro da célula (por exemplo, a proteína quadrada na Figura 1-11) ou para exportação para outras partes do organismo (a proteína circular). A síntese de proteínas para exportação (proteínas secretoras) ocorre em onribossomos que estão localizados na superfície do retículo endoplasmático rugoso, sistema de grandes vesículas achatadas. As cadeias completas de aminoácidos são passadas para a luz do retículo endoplasmático, onde se dobram espontaneamente para assumir a sua forma proteica. As proteínas podem ser modificadas nesta fase, mas eventualmente são transpostas para as câmaras do aparelho de Golgi, e em vasos secretores que se fundem com a membrana celular e liberam seu conteúdo para o exterior.

Proteínas destinadas a funcionar no citosol, e a maioria das proteínas que funcionam nas mitocôndrias e cloroplastos, são sintetizadas no citosol em ribossomosunções ligadas às membranas. Por exemplo, as proteínas que funcionam como enzimas na glicólise seguem esta via. A síntese de proteínas ocorre pelo mesmo mecanismo, utilizando os mesmos tipos de tRNAs. A proteína completa desprende-se do ribossomo e dobra-se na sua forma adequada no citosol. As proteínas destinadas às organelas são especialmente marcadas para serem inseridas na organela. Além disso, as mitocôndrias e cloroplastos têm suas próprias pequenas moléculas circulares de DNA. A síntese de proteínas codificadas por genes no DNA mitocondrial ou cloroplástico ocorre em ribossomos dentro das próprias organelas. Portanto, as proteínas nas mitocôndrias e cloroplastos são de duas origens diferentes, ou codificadas pelo núcleo e importadas para a organela, ou codificadas e sintetizadas dentro do organelo-membrana.

Prokaryotes são organismos como bactérias cujas células têm uma estrutura mais simples; não existem núcleos ou outras estruturas membranares dentro destas células. A síntese de proteínas em procariotas geralmente se assemelha àquela em eucariotas, utilizando mRNA, tRNA e ribossomos, mas existem algumas diferenças importantes. Forexample, prokaryotes não têm introns.