Dogma Central da Biologia

O Dogma Central da Biologia Molecular foi descrito em 1958 por Francis Crick na tentativa de relacionar o DNA, o RNA e as proteínas.

O DNA pode se replicar e dar origem a novas moléculas de DNA, pode ainda ser trancrito em RNA, e este por sua vez traduz o código genético em proteínas.

Algumas descobertas posteriores não coincidiram com este Dogma:

O RNA pode sofrer replicação em alguns vírus e plantas;

O RNA viral, através de uma enzima denominada transcriptase reversa, pode ser transcrito em DNA;

O DNA pode diretamente traduzir proteínas específicas sem passar pelo processo de transcrição, porém o processo ainda não está bem claro.

Baseado neste raciocínio, em 1958, Francis Crick afirma que a especificidade de um fragmento de DNA depende apenas da seqüência de suas bases e que essa seqüência é a chave para a disposição dos aminoácidos em uma proteína particular. Propõe, então, o Dogma Central da Biologia Molecular, afirmando que a molécula de DNA é utilizada como molde para se construir RNA o qual será molde para a síntese de proteínas, sendo que a informação contida na proteína não pode ser repassada para a construção de outra proteína nem para a construção de uma molécula de DNA ou RNA.

Entretanto, a proposta original foi ampliada nos últimos anos com a descoberta, em 1970, da enzima transcriptase reversa por Temin & Mizutani e por Baltimore de forma independente, que copia RNA para DNA. Ficou esclarecido, que é possível sintetizar DNA utilizando-se RNA como molde. Um pouco antes disto, por volta de 1965, Spiegelman & Haruna haviam demonstrado que o RNA também podia servir de molde para a síntese de outras moléculas de RNA. Isto foi possível devido ao isolamento da enzima replicase codificada por um vírus infeccioso cuja informação genética está contida numa molécula simples de RNA. Estes estudos permitiram que o dogma central se ampliasse sem, contudo, perder a unidirecionalidade, ou seja, do DNA às proteínas (BONATO, 2003).

Todo o processo de replicação, transcrição e tradução pode ser visto no simulador, que está no post "Visualizações".

Corrente elétrica

O movimento ordenado de elétrons em condutores:

Os aparelhos eletroeletrônicos que se encontram nas residências precisam de energia elétrica para o seu funcionamento. Tal energia é obtida quando eles são ligados em alguma fonte de energia, como uma pilha ou uma tomada. Quando isso é feito, algo invisível acontece. Elétrons livres, que se encontram nos meios condutores desses aparelhos, passam a se movimentar de maneira ordenada, transportando a energia elétrica necessária para o seu funcionamento. Esse movimento ordenado dos elétrons é conhecido como corrente elétrica e ela pode ocorrer nos condutores sólidos, como os metais, e em gases e líquidos ionizados.

Criando uma corrente elétrica

Vamos começar com um tipo de corrente mais comum, a produzida em fios condutores feitos de metais, como por exemplo, o cobre. Os metais são bons condutores de eletricidade, pois possuem elétrons livres e quando esses materiais estão em equilíbrio, os elétrons se encontram em movimento desordenado, como mostra a figura abaixo:

Para se obter uma corrente elétrica, é necessário criar um campo elétrico nesse condutor. Com esse campo elétrico, teremos diferentes níveis de energia potencial. Esses diferentes níveis de energia potencial provocarão uma tensão elétrica. Essa diferença de potencial pode ser obtida ligando-se o condutor a uma pilha.

Observe que a pilha possui um pólo positivo e um negativo. O pólo positivo possui um potencial maior, enquanto que o negativo possui um menor. O movimento dos elétrons será no sentido sempre do maior potencial, ou seja, do pólo positivo. A pilha tem a função de fonte de energia elétrica e também de manter a diferença de potencial, mantendo assim o movimento dos elétrons.

Corrente iônica

Até agora, só falamos da corrente elétrica em meios sólidos. Mas a corrente elétrica não é uma exclusividade desse meio, elas também podem ocorrer nos gases e nos líquidos.

Nesses casos, não são só os portadores de carga negativa que entram em movimento, mas os portadores de carga positiva: os íons também entram em movimento.

Considere uma solução iônica onde são colocados dois eletrodos que estão ligados a uma bateria. Tal procedimento fará que um eletrodo adquira carga positiva, e outro, carga negativa.

Com isso, teremos o movimento dos íons negativos e dos elétrons no sentido do eletrodo positivo, e os íons positivos no sentido do eletrodo negativo.

No caso dos gases ionizados, o raciocínio é o mesmo, só que o meio em questão, como diz o próprio nome, é o meio gasoso.

Curto Circuito

Agora que já sabemos o que é uma corrente elétrica e os diferentes tipos de circuito que podemos formar com ela, podemos partir para o estudo de curto circuito.

Imagine um poço em um sítio e o desejo de bombear a sua água. Para isto é necessária uma bomba de sucção que tem por finalidade criar uma diferença de pressão entre os pontos do encanamento. Esta diferença é responsável por colocar a água em movimento podendo, assim, ser armazenada em uma caixa d'água. É claro, que se a bomba for desligada, o movimento da água cessará. Ela realiza um trabalho positivo já que está levando a água para um ponto de maior energia potencial.

Agora vamos levar esse mesmo raciocínio para o funcionamento de um gerador elétrico. Quando falamos de corrente elétrica, mostramos que para ter um movimento ordenado de cargas elétricas, é necessário uma diferença de potencial que é obtida por um dispositivo muito conhecido por nós: o gerador elétrico.

Os geradores elétricos aparecem diariamente nas mais diferentes formas, como pilhas domésticas, baterias de automóveis e também no interior das grandes usinas geradoras de eletricidade. O papel deles no circuito elétrico é muito similar ao da bomba de sucção.

Sabemos que um gerador possui dois pólos, um positivo e outro negativo, ou seja, um pólo de maior e outro de menor potencial elétrico. Quando ligamos os terminais de um circuito nos pólos do gerador, teremos um movimento ordenado de cargas elétricas, isto é, a corrente elétrica. O gerador tem como função levar as cargas elétricas negativas para o pólo negativo da bateria, ou seja, um lugar em que essas cargas nunca chegariam naturalmente. Feito isto, elas irão fluir por meio do circuito na direção dos potenciais mais elevados.

Observe que algo muito parecido ocorre com a bomba de sucção, pois ela está elevando a água para pontos aos quais ela nunca chegaria naturalmente, como é o caso da caixa d'água. E, a partir daí, ela é distribuída automaticamente pela força da gravidade fazendo com que chegue a pontos de menor energia potencial.

O gerador é posto em curto-circuito quando os seus pólos são ligados diretamente por um fio condutor de baixa resistência, ou seja, um fio bstante condutor que não fornece muita dificuldade à passaem de corrente. Quando isso acontece, a diferença de potencial entre os pólos é igual a zero e assim se obtém uma corrente definida como corrente de curto circuito que é a maior possível a passar pelo gerador.

Visualizações

Veja o modelo de DNA que fizemos no Laboratório:

Observe a correspondência entre as bases nitrogenadas e as cores das jujubas utilizadas:

Roxo - Guanina

Vermelho - Citosina

Verde - Timina

Amarelo - Adenina

Laranja - Uracila (esta só presente no RNA)

Tente observar que a ligação entre as jujubas verde e amarela é feita com um palito (o que representa uma ponte de hidrogênio), e a ligação entre a roxa e a vermelha é feita com dois (que representam duas pontes de hidrogênio). Também é importante atentar ao modelo de dupla hélice do DNA e ao fato de vermos o genoma, a fita-molde completando-o e o RNA.

Agora, veja esta imagem:

Nessa experiência, a substância amarela na parte de baixo é formada por banana macerada (ela é macerada para que se rompa a parece celular) e solução tampão (esta solução tem 5 ml de água, NaCl e detergente). A função do detergente é desestruturar as moléculas de lipídio das membranas biológicas, assim as membranas sofrem ruptura e todo o conteúdo celular -inclusive o DNA- fica disperso na solução. O sal, por sua vez, faz com que as moléculas que formam o DNA passem a não sofrer mais repulsão de cargas entre si, o que favorece a sua aglomeração. O líquido transparente é álcool gelado, que desidrata o DNA, assim este não fica mais dissolvido no meio aquoso. Além disso, o DNA tende a não ser solúvel em álcool, então suas moléculas se agrupam e tendem a subir para a superfície (pode-se observar na imagem) já que ele é menos denso que os outros constituintes celulares. A importância do álcool estar gelado é que, quanto mais gelado, menor a solubilidade do DNA nele.

Analise o simulador abaixo, que mostra em detalhes diversos processos que ocorrem no interior da célula, como a produção de proteínas, também mostra a estrutura do DNA e a sua replicação.

http://www.johnkyrk.com/aminoacid.pt.html

Circuitos elétricos

O circuito elétrico é formado por uma ou mais fontes de energia elétrica (geradores), fios condutores (por onde passa a corrente elétrica) e algum elemento de circuito como resistores (como lâmpadas). O circuito elétrico estará completo quando a corrente elétrica, que sai de um dos pólos da fonte de energia, percorre os componentes do circuito e fecha seu percurso no outro pólo da fonte de energia.

Dependendo da forma de associação dos componentes do circuito, podemos classificá-los em circuito em série e em paralelo. 

Circuito em série: nos circuitos em série, a corrente elétrica percorre um único "caminho" passando por todas as lâmpadas. Quanto mais lâmpadas estiverem instaladas em série, menos intensa será a luz emitida por cada uma delas, pois a energia fornecida pelo gerador é dividida entre elas.

Observando a figura podemos concluir que se retirarmos um das lâmpadas interrompemos a passagem da corrente elétrica.

Circuito em paralelo: Em contraste com o que acontecia no circuito em série, se retirarmos uma lâmpada do suporte, a outra lâmpada não se apaga, pois a corrente elétrica dividi-se, sem mudar a intensidade da corrente em cada lâmpada, como se existisse apenas uma lâmpada em todo o circuito. É por isso que a intensidade do brilho das lâmpadas no nesse circuito é maior do que no em série.

RNA

O RNA é uma molécula intermediária na síntese de proteínas, ela faz a intermediação entre o DNA e as proteínas. Isso é importante porque o DNA não sai do núcleo, mas é ele que contém as informações necessárias para a produção das proteínas.

Ele é formado por uma cadeia de ribonucleotídeos, que, por sua vez, são formados por um grupo fosfato, um açucar (ribose), e uma base nitrogenada. 

Esses ribonucleotídeos são ligados entre si através de uma ligação fosfodiéster entre o carbono 3' do nucleotídeo de "cima" e o carbono 5' do nucleotídeo de "baixo" (veja figura).

As principais diferenças entre o RNA e o DNA são sutis, mas fazem com que o último seja mais estável do que o primeiro. O RNA é formado por uma fita simples, o açúcar de seu esqueleto é a ribose e uma de suas bases pirimídicas (de anel simples) é diferente da do
DNA. Ele possui Uracila ao invés de Timina. Veja a estrutura química das bases do RNA:

Os principais tipos de RNA são os RNAs mensageiros (mRNAs), os transportadores (tRNAs) e os ribossômicos (rRNA). Os RNAs mensageiros são aqueles que codificam as proteínas e que devem ter seus códons lidos durante o processo de tradução. Os RNAs ribossômicos fazem parte da estrutura do ribossomo, junto com diversas outras proteínas e são eles que catalisam a ligação entre dois aminoácidos na síntese de proteínas. Os RNAs transportadores são aqueles que fazem a conexão códon-aminoácido pois carregam um aminoácido específico de acordo com seu anticódon (complementar ao códon do mRNA).

Cada grupo de três bases nitrogenadas (ACC, GAG, CGU etc.) é chamado códon e é específico para um tipo de aminoácido. Um pedaço de ácido nucléico com cerca de mil nucleotídeos de comprimento pode, portanto, ser responsável pela síntese de uma proteína composta por centenas de aminoácidos. Nos ribossomos, o RNA mensageiro é por sua vez lido por moléculas de RNA transportador, responsável pelo transporte dos aminoácidos até o local onde será montada a cadeia protéica. Essa produção de proteínas com base em um código é a base da Engenharia genética.

É interessante notar que, por ser uma fita simples, o RNA pode formar pontes intracadeia, o que faz com que ele possa ter uma infinidade de arranjos tridimensionais, importantes em sua função.

DNA

O DNA é uma estrutura presente no núcleo da célula, que contém informações vitais que passam de uma geração à outra. O DNA coordena sua fabricação, assim como a de outros componentes das células, como as proteínas. Pequenas alterações do DNA podem ter conseqüências graves, e a sua destruição leva à morte celular.

Mudanças no DNA das células em organismos multicelulares produzem variações nas características da espécie. Durante muito tempo, a seleção natural age sobre essas variações para desenvolver ou mudar a espécie. Uma observação interessante é que, muitas vezes, as plantas tem mais de duas cópias de vários cromossomos. Essa alteração causaria, nos seres humanos, doenças genéticas geralmente fatais, mas isso não é tão arrasador nas plantas, e não se sabe a razão.

Observe que o ácido desoxirribonucléico é uma molécula formada por duas cadeias de nucleotídeos na forma de uma dupla hélice. Essa dupla hélice, nas forma de uma espiral de caderno, pode ter até milhares de nucleotídeos. Essas cadeias são constituídas por um açúcar (pentose, um açúcar com cinco carbonos), um ou mais grupos fosfato e uma base nitrogenada (T timina, A adenina, C citosina ou G guanina). A timina se liga sempre à adenina, por meio de uma ponte de hidrogênio, e a citosina sempre se liga à guanina, por meio de duas pontes de hidrogênio. A dupla hélice é um fator essencial na replicação do DNA durante a divisão celular cada hélice serve de molde para outra nova.

Agora, vamos analisar a história do DNA, que pode nos ajudar a entender suas propriedades:

A descoberta do DNA ocorreu em 1869 e foi feita pelo bioquímico alemão Johann Friedrich Miescher (1844 – 1895). Miescher buscava determinar os componentes químicos do núcleo celular e usava os glóbulos brancos contidos no pus para suas pesquisas. Os glóbulos brancos eram um bom material pois são células que apresentam núcleos grandes e fáceis de serem isolados do citoplasma. Além disso, o pus era muito fácil de se conseguir na época em ataduras usadas em ferimentos.

Analisando os núcleos, Miescher descobriu a presença de um composto de natureza ácida que era desconhecido até o momento. Esse composto era rico em fósforo e em nitrogênio, era desprovido de enxofre e resistente à ação da pepsina (enzima proteolítica). Esse composto, que aparentemente era constituído de moléculas grandes, foi denominado, por Miescher, nucleína. Essa substância foi isolada também da cicatrícula da gema do ovo de galinha e de espermatozóides de salmão.

Em 1880, um outro pesquisador alemão, Albrecht Kossel (1883 – 1927), demonstrou que a nucleína continha bases nitrogenadas em sua estrutura, explicando o fato da nucleína ser rica em nitrogênio. Nove anos depois, Richard Altmann (1852 – 1900), que era aluno de Miescher, obteve a nucleína com alto grau de pureza, comprovando sua natureza ácida e dando-lhe, então, o nome de ácido nucléico.

A partir daí, o material mais utilizado para estudo e obtenção do ácido nucléico passou a ser o timo de bezerro, cujo tecido apresenta células com núcleos grandes. Foi descoberto que a degradação do ácido nucléico do timo, chamado de ácido timonucléico, liberava quatro tipos de bases nitrogenadas:
- dois tipos de bases púricas: adenina e guanina

- dois tipos de bases pirimídicas: citosina e timina

Foi demonstrado também que um outro produto da degradação do ácido nucléico era um glicídio com 5 átomos de carbono, uma pentose, no caso uma desoxirribose. O fósforo estava presente na forma de um derivado do ácido fosfórico, fosfato. Tinha-se até o momento que o ácido nucléico era composto de bases nitrogenadas (púricas e pirimídicas), de um glicídio (pentose) e de fosfato.

Em 1890, foi descoberto em levedura (fermento) um outro tipo de ácido nucléico, que possuía uracila ao invés de timina e ribose ao invés da desoxirribose. Dessa maneira, foram caracterizados dois tipos de ácidos nucléicos, de acordo com o glicídio que possuíam:

- ácido ribonucléico (RNA)
- ácido desoxirribonucléico (DNA)

Em 1912, Phoebus Levine (1869 – 1940) e Walter Jacobs (1883 – 1967) concluíram que o componente básico dos ácidos nucléicos era uma estrutura composta por uma unidade que se constituía numa base nitrogenada ligada a uma pentose, e esta por sua vez, ligada a um fosfato. Esta unidade foi denominada de nucleotídeo. Um ácido nucléico seria então uma molécula composta por vários nucleotídeos unidos entre si, ou seja, um polinucleotídeo.

Os estudos dos ácidos nucléicos continuaram por muitos anos sem que os cientistas soubessem de sua importância como material hereditário, descoberta que só foi realizada muitos anos depois. Dois clássicos experimentos contribuíram para isso. O primeiro deles foi a identificação do material hereditário em bactérias, que levou à conclusão, em 1944, de que o princípio transformante das bactérias era o DNA. O outro experimento foi o da identificação do material hereditário de fagos, que, em 1952, revelou que apenas o DNA do fago penetrava e se multiplicava nas bactérias gerando novos fagos. Após a descoberta de que o DNA era o material hereditário, iniciou-se uma série de pesquisas que buscavam elucidar sua estrutura, e entender quais características permitiam ao DNA ser o banco de memória da informação hereditária.

Foram realizados experimentos que levaram a proposta do modelo da dupla hélice do DNA (1953), experimentos que evidenciaram a replicação semiconservativa (1958) e um experimento que permitiu a visualização da replicação do cromossomo bacteriano (1960).

Introdução

Nesse blog, iremos falar sobre DNA, RNA, Dogma Central da Biologia, Circuitos em Série e em Paralelo. Vamos começar, então, essa aventura pela Ciência.