Biologia 11º:
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Crescimento e Renovação celular
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DNA e Síntese proteica
Experiências: Experiência de Griffith: Após a descoberta de Friedrich Miescher em 1869 da existência do DNA, Griffith realizou uma série de experiências em 1928 que vieram a desenvolver a importância do DNA para a célula. A partir das bactérias que causam a pneumonia (Strepococcus Pneumoniae) que se podem dividir em duas estirpes, S (lisas, capsuladas e virulentas) e R (rugosas, não capsuladas e não patogénicas), Griffith procedeu da seguinte forma: Lote 1: O rato foi infetado com a estirpe virulenta e morreu. Lote 2:O rato foi infetado com a estirpe não virulenta e sobreviveu. Lote 3:O rato foi infetado com a estirpe virulenta morta pelo calor e sobreviveu. Lote 4:O rato foi infetado com a estirpe não virulenta juntamente com a virulenta morta pelo calor e morreu. Surgiam bactérias tipo S vivas no rato. Griffith tirou conclusões acerca do sucedido no lote 4. A experiência sugeria que as bactérias do tipo S conseguiam transmitir a sua virulência às do tipo R. No entanto, o cientista não foi capaz de explicar como. Assim sugeriu a existência de um princípio transformante, que permitiria que as S transmitissem informação às R, de modo a que as últimas pudessem desenvolver cápsula. Isto foi desenvolvido na experiência de Avery. Experiência de Avery: Na sequência dos trabalhos de Griffith, Avery tentou descobrir qual seria a substância que transmitia a informação entre as bactérias do tipo S e R. Avery suspeitava de que o principio transformante era o DNA. Assim, cultivou 5 colónias de bactérias tipo R em meio propício. Sendo a “A” a de controlo, na B misturou DNA das bactérias tipo S, na C adicionou DNA das bactérias tipo S juntamente com DNAase, na D juntou DNA das bactérias tipo S juntamente com RNAase e na E acrescentou DNA das bactérias tipo S juntamente com Protease. Nas colónias B, D e E surgiram colónias de bactérias tipo S. Assim, Avery chegou à conclusão que o princípio transformante era, efetivamente, o DNA. Experiência de Hershey e Chase: Hershey e Chase utilizarem em 1953 bacteriófagos para provar definitivamente que o suporte físico da informação genética é o DNA. Os bacteriófagos são vírus, ou seja são seres exclusivamente constituídos por DNA ou RNA e uma cápsula de natureza proteica. Tendo em consideração que:
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os vírus não penetram nas cápsulas das bactérias.
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as proteínas da cápsula dos vírus não tem fósforo, mas enxofre.
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O DNA tem fósforo, mas não enxofre.
Marcou-se dois lotes de bacteriófagos radioactivamente. No primeiro marcou-se o enxofre das proteínas e no segundo o fósforo do DNA. O Objetivo destas marcações era ser possível seguir os trajetos de cada uma das substâncias. Assim, foi possível descobrir que o DNA viral toma o comando da célula bacteriana, enquanto que as proteínas não chegam a penetrar na cápsula. Composição química dos ácidos nucleicos, DNA e RNA:
Base Azotada
Cada nucleótido é constituído por uma base azotada (Adenina, Guanina,
Grupo Fosfato
Pentose
Citosina, Timina, Uracilo), uma Pentose (Desoxirribose ou Ribose) e por um grupo fosfato. As bases azotadas podem dividir-se em: Bases púricas: Adenina e Guanina, que formam um anel duplo (sendo ambas presentes no RNA e DNA) Bases Pirimídicas: Uracilo (apenas presente no RNA), Timina (apenas presente no DNA) e Citosina (presente em ambos) que formam um anel simples. Os nucleótidos formam ligações entre si, formando cadeias polinucleotídicas. Estas ligações estabelecem-se entre o grupo fosfato de um dos nucleótidos e o carbono 3’ da pentose do nucleótido seguinte. Chamam-se ligações fosfodiéster. Através da análise do DNA de vários organismos por Chargaff foi possível chegar-se à conclusão de que a percentagem de Adenina é igual é de Timina e que a de Guanina é igual à de Citosina. Assim, a percentagem de Purinas é igual à de Pirimidinas. A partir destas investigações e da descoberta de Rosalind Franklin, Watson e Crick apresentaram na Universidade de Cambridge o Modelo de Dupla Hélice do DNA. Estrutura do DNA: Modelo de Dupla Hélice do DNA: Os nucleótidos que formam uma cadeia polinucleotídica ligam-se entre si através de ligações covalentes (do tipo fosfodiéster) que se estabelecem entre o grupo fosfato e os carbonos 3’ e 5’ das pentoses. As cadeias designam-se por antiparalelas uma vez que a extremidade 5’ de uma cadeia corresponde a extremidade 3’ da outra cadeia. Entre as bases azotadas verifica-se uma ligação por pontes de hidrogénio. Ou seja a Adenina emparelha com a Timina (por duas pontes de hidrogénio) e a Guanina à Citosina (por três pontes de hidrogénio). Por isso são bases complementares, o que justifica as proporções encontradas por Chargaff. Estrutura do RNA: A molécula de RNA é formada por uma cadeia simples de nucleótidos e é muito mais pequena que a molécula de DNA. Esta molécula é sintetizada a partir do DNA e pode apresentar três formas:
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RNA mensageiro (mRNA) RNA de transferência (tRNA)
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RNA ribossómico (rRNA)
Replicação do DNA: Foram propostos três modelos para a replicação do DNA: Hipótese semiconservativa (a qual foi apoiada por Watson e Crick) Hipótese conservativa Hipótese dispersiva Experiência de Meselson e Stahl:
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Cultivaram E.Coli num meio de cultura com 15N durante várias gerações de bactérias, transferindo posteriormente para um meio com azoto normal. Extraiu-se DNA neste momento, 20 minutos depois e 40 minutos depois. Através da densidade do DNA recolhido foi possível chegar-se à conclusão que o DNA se duplica de modo semiconservativo, sendo que se conserva sempre uma cadeia e se gera uma nova. Síntese Proteica: A molécula de DNA garante a preservação da informação genética, transmitindo-a sempre a cada nova célula. A célula utiliza parte dessa informação para gerar proteínas. Para que a síntese proteica ocorra, são necessários dois processos: a transcrição e a tradução. A transcrição é o processo que permite que a informação genética do DNA seja copiada para uma molécula de mRNA. A tradução é o processo de utilização da informação contida, agora, na molécula de RNA para sintetizar proteínas. O segmento de DNA que contem a informação necessária para sintetizar uma determinada proteína é o gene.
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Código Genético:
Os ácidos nucleicos são constituídos por quatro nucleótidos diferentes, enquanto que as proteínas o são por cerca de vinte unidades aminoácidos. Assim, chegou-se à conclusão de que para codificar um aminoácido seriam necessários três nucleótidos, um tripleto. Após esta descoberta, realizaram-se duas experiências que a vieram desenvolver. Nirenberg chegou à conclusão de que quando utilizava mRNA poli-U apenas obtinha um tipo de aminoácido, e a mesma coisa com poli-A e poli-C. Khorana sintetizou moléculas com nucleótidos alternados (ACACACA), e como esta cadeia permitia duas combinações (ACA e CAC) formaram-se dois tipos de aminoácidos. Estas experiências permitiram concluir que diferentes combinações de tripletos codificam diferentes tipos de aminoácidos. Cada tripleto do mRNA designa-se Codão (sendo o de DNA, codogene). O código genético tem as seguintes características: o Cada aminoácido é formado por um codão. o O tripleto AUG tem duas funções, codifica a metionina e constitui o codão de iniciação para a síntese proteica. o Os tripletos UAA, UGA e UAG são codões de finalização. o Existe mais do que um codão para codificar um aminoácido (degenerescência do código genético) o O terceiro nucleótido é o menos específico. o Um determinado codão não codifica dois aminoácidos diferentes (não é ambíguo) o O código genético é universal. (tem o mesmo significado para todos os organismos) Mecanismos envolvidos na síntese proteica:
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Transcrição:
Para que a transcrição ocorra é necessário que a RNA polimerase desenrole um segmento de DNA. Assim, uma das cadeias de DNA serve de molde para o mRNA (que se constitui através dos nucleótidos existentes no nucleoplasma). A transcrição termina quando a RNA polimerase encontra um codão de finalização. Nos seres eucariontes o mRNA utilizado durante a transcrição é designado por RNA pré-
mensageiro, uma vez que ainda irá sofrer uma maturação. Esta ocorre quando diversas secções do mRNA, os intrões, são removidas. Desta forma, os exões constituem o mRNA maturado, ou seja a informação para a síntese proteica dispõe-se de forma fragmentada. Nos seres procarioentes a fase de processamento do mRNA não ocorre. No final deste processo, o mRNA migra do núcleo para o citoplasma, onde ocorrerá o processo de tradução.
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Tradução:
Para o processo de tradução é necessária a presença do tRNA (RNA de transferência) e do rRNA (RNA ribossómico). Cada molécula de tRNA apresenta uma região que lhe permite fixar um aminoácido (local aminoacil que se localiza na ponta), um anticodão, que se liga ao codão, locais para ligação ao ribossoma e a enzimas. O processo inicia-se quando a subunidade menor do ribossoma se liga ao mRNA, deslizando até encontrar o codão de iniciação (AUG). De seguida o tRNA, que transporta o aminoácido metionina ligase por complementaridade ao codão de iniciação. A subunidade maior do ribossoma liga-se à menor. Esta primeira fase designa-se por iniciação. No processo de alongamento, um segundo tRNA transporta outro aminoácido que se liga ao codão. O ribossoma avança três bases (sentido 5’ para 3’), enquanto o processo se repete ao longo da molécula de mRNA. Os tRNA vão se desprendendo. Por último, o processo de finalização, que ocorre quando o ribossoma encontra um codão de finalização, o último tRNA abandona o ribossoma e as subunidades voltam a separar-se. Finalmente, a proteína é libertada. Este processo anabólico exige consumo de energia, no entanto a cada molécula de mRNA podem ligar-se vários ribossomas, formando um polirribossoma.
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Alterações do Material Genético:
As mutações genéticas resultam da substituição, do desaparecimento ou da adição de um nucleótido à sequência que constitui o gene. Assim, constituem-se proteínas diferentes. Quando estas proteínas têm um papel importante no organismo podem originar doenças. (Anemia Falciforme, Albinismo). São exemplos de agentes mutagénicos, os raios X, gama, cósmicos, UV e as partículas emitidas por substâncias radioativas ou químicas como o gás mostarda e as nitrosaminas.
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Mitose
Quando uma célula se divide é necessário que a molécula de DNA se replique, sendo que a célula filha herda toda a informação genética da célula mãe. No caso das células procarióticas, o processo é bastante simples. Ocorre logo após a replicação da molécula de DNA. No entanto, nas células eucarióticas, o processo é bastante mais complexo, uma vez que o DNA está armazenado em várias moléculas, sendo que está associado a uma proteína, as histonas. Cada porção de DNA, associada às histonas, constitui um filamento de cromatina. Estes filamentos encontram-se dispersos na célula, exceto no processo de divisão, em que se condensam em cromossomas. Esta condensação resulta da associação entre as histonas e o DNA. Na fase de condensação cada cromossoma é constituído por dois cromatídeos (duplicação do filamento inicial de cromatina) unidos por uma estrutura resistente, o centrómero. Para que a célula se divida, ocorre um processo designado por fase mitótica que é constituído por um processo de mitose (duplicação de todos os cromossomas do núcleo original) e um de citocinese (divisão do citoplasma). Assim formam-se duas células-filhas idênticas entre si e à célula-mãe.
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Ciclo Celular:
O ciclo celular é constituído pela fase mitótica e pela interfase. Interfase:
Período G1: (Pós Mitótico) São produzidas moléculas de RNA para sintetizar proteínas, lípidos e glícidos. Ocorre crescimento celular. No caso de a célula não sofrer mais divisões entra na fase G0 durante longos períodos de tempo. Período S: (Síntese de DNA) Caracterizado pela replicação do DNA, por replicação semiconservativa. Ao DNA replicado associam-se histonas, formando-se cromossomas. Período G2: (Pré-Mitótico) Síntese de mais proteínas e estruturas membranares. Ocorre crescimento celular. Fase Mitótica: Profase: A etapa mais longa da mitose. Os cromossomas enrolam-se tornando-se condensados, curtos e grossos. Os centrossomas (2 centríolos) afastam-se para pólos opostos, formando um fuso acromático, o qual é formada por fibrilas de microtúbulos proteicos. No final da profase o núcleo desagrega-se. Nas células vegetais as fibras do fuso acromático são formadas por centros organizadores de microtúbulos existentes nos pólos. Metafase: Os cromossomas dispõem-se no plano equatorial da célula, formanda a placa equatorial. Os centrómeros encontram-se nesta placa, enquanto que os braços dos cromossomas se voltam para fora deste plano. Anafase: O centrómero rompe-se, separando os dois cromatídeos. Os cromossomas iniciam a ascensão polar ao longo do fuso acromático. No final da Anafase cada pólo contém um conjunto de cromossomas exatamente igual. Telofase: Forma-se um invólucro nuclear em torno dos cromossomas, que iniciam um processo de descondensação. O fuso acromático desorganiza-se. A mitose termina e a célula possui dois núcleos. Citocinese: A citocinese inicia-se durante a Anafase ou a Telofase. Nas células animais ocorre devido ao estrangulamento do citoplasma, devido a contração de um conjunto de filamentos proteicos. Nas células vegetais a existência da parede não permite o estrangulamento. Assim, vesículas resultantes do complexo de Golgi depositam-se na região equatorial, formando uma membrana celular que divide a célula em duas, ambas com parede celular completa.
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• Crescimento e regeneração de tecidos vs diferenciação celular: Células Estaminais
Todos os fenómenos de multiplicação, reprodução assexuada e crescimento são justificados pela mitose. No entanto, em organismos multicelulares existem geralmente células diferenciadas. Para que a partir de uma célula inicial se obtenha uma variedade tão grande de células têm que existir um processo de diferenciação. Após a fecundação, a partir da célula ovo que é totipotente forma-se um conjunto de células indiferenciadas que posteriormente se dividem em células diferenciadas para as mais variadas funções. Fatores citoplasmáticos envolvidos nos processos de tradução e transcrição, ou sinais de células vizinhas conduzem à diferenciação celular. Estes fatores ativam ou bloqueiam determinados genes que dão à célula informação para se diferenciar. As células responsáveis pela construção do corpo das plantas e dos animais são as células estaminais: o São células indiferenciadas o São capazes de se dividirem e diferenciarem. o Têm capacidade de autorrenovação e divisão assimétrica (criar uma célula filha diferenciada e outra indiferenciada)
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São totipotentes até à formação do blastocisto. A partir desse momento são pluripotentes.
Nos tecidos adultos apenas existem células multipotentes, que não são capazes de produzir células de outro tipo. No entanto, nos tecidos adultos vegetais existe um outro tipo de células indiferenciadas, os meristemas, que são capazes de renovar zonas lesadas e levar ao crescimento de órgãos.
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Clonagem:
Para clonar um organismo é necessária a reprogramação do núcleo de uma célula diferenciada, tornando-a totipotente. Assim, funde-se uma célula diferenciada com um óvulo anucleado, que se tornará um embrião.
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Diferenciação Celular e Cancro:
Durante os processos de diferenciação celular e divisão ocorrem por vezes erros que conduzem à produção de células cancerosas. Uma das mais preocupantes alterações que ocorrem na célula é a perda dos mecanismos de regulação celular na expressão dos genes, assim as células podem tornar-se imortais, por diminuição da apoptose. O resultado desta divisão infinita leva à produção de tumores. As células de alguns tumores malignos podem formar metástases. De uma forma geral podemos identificar as seguintes etapas no desenvolvimento de um cancro (neoplasia): Proliferação celular não controlada Perda de diferenciação (Displasia) Cancro in situ (localizado, não invasivo) Cancro invasivo (resultante da acumulação de vários alterações genéticas nas células).
CRESCIMENTO E RENOVAÇÃO CELULAR
DNA é constituído por:
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Um açúcar (desoxirribose); Um grupo fosfato; Uma base azotada (adenina, tímina, citosina e guanina)
A molécula de DNA apresenta os seguintes aspetos:
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2 cadeias polinucleotídicas enroladas em hélice; Pontes de hidrogénio que ligam as 2 cadeias; O emparelhamento das bases azotadas (adenina e timina A-T) e (citosina e guanina C-T); Ligações covalentes entre o grupo fosfato e a desoxirribose do nucleotido seguinte.
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Replicação do DNA Semiconservativa - uma das duas cadeias da molécula de DNA que se forma deriva da molécula original e a outra é sintetizada de novo;
• Conservativa - preserva as duas cadeias da molecula original e gera uma molécula de DNA composta por duas cadeias inteiramente novas; • Dispersiva - produz duas moléculas com DNA em que ambas as cadeias eram formadas por fragmentos originários da molécula inicial alternados por fragmentos sintetizados de novo.
Dogma central da biologia molecular (explicar como se processa a expressão da informação genética):
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A informação presente no DNA é transcrita para o RNA; O RNA é posteriormente traduzido
para
formar
proteínas.
RNA formado no núcleo por transcrição do DNA, é constituído por:
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Um açúcar (pentose); Um grupo fosfato; Uma base azotada (adenina-uracilo A-U) e (citosina-guanina C-G).
O RNA é constituído por uma cadeia polinucleotídica simplesmente que os nucleotidos estão ligados covalentemente. Existem diversos tipos de RNA:
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RNA mensageiro (mRNA); RNA transferencia (tRNA); RNA ribossomal (rRNA);
A transcrição corresponde à transferência da informação presente no DNA para uma molécula de RNA. O RNA que leva a informação genética do DNA é o RNA mensageiro (mRNA). Para além deste, os outros dois tipos de RNA são sintetizados. Informação Transcrição: DNA
-->
mRNA
Ribossoma -->
tradução
O uso de outras combinações de nucleóticos permitiu verificar que a cada códão de mRNA corresponde um aminoácido especifico. CICLO CELULAR Conjunto de processos que ocorrem ao nível celular, incluindo a divisão do material genético. As células apresentam um ciclo celular que tem inicio quando a célula se forma a partir de uma célulamãe e que se prolonga até que se divide, originando 2 células-filhas. Quando uma célula se divide, o material genético tem de ser previamente replicado. Este processo permite que o material genético de cada célula duplique de 2Q para 4Q. Durante todo este processo o número de cromossomas mantém-se igual. Todos estes fenómenos ocorrem ao longo do ciclo celular, que está organizado em duas fases: a interface e a fase mitótica. Interfase Esta fase inclui 3 fases principais: G1, S e G2. A divisão mitótica ocorre entre a fase G2 e a G1. G1
Tem inicio com a formação da célula e termina quando o DNA se começa a replicar. Nesta etapa os cromossomas apenas apresentam um cromatídio. Ocorre replicação semiconservativa do DNA, formando uma cópia de cada molécula de DNA. No final desta fase, os cromossomas encontram-se constituídos por dois cromatídios iguais
S
unidos pelo centrómero.
G2
Intervalo de tempo compreendido entre a etapa S e o inicio da fase mitótica, durante a qual a célula se prepara para a divisão. Nesta fase, os cromossomas ainda possuem os dois cromatídios unidos pelo centrómero.
Fase mitótica A fase mitótica é constituída pela mitose e pela citocinese, onde ocorrem divisões nucleares e citoplasmáticas, respetivamente, dando origem a duas células-filhas iguais à célula-mãe. A mitose processa-se ao longo de quatro fases: prófase, metáfase, anáfase e telófase, durante as quais ocorre condensação e separação do material genético por dois núcleos.
Prófase
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É a etapa mais longa da mitose; Os centríolos começam a movimentar-se no sentido dos pólos da célula, com inicio da formação do fuso mitótico; − No final desta fase, o nucleolo desaparece, a membrana nuclear desintegra-se e os cromatídios ligam-se ao fuso acromático. Metáfase
− −
Os centríolos encontram-se nos pólos da célula; Os cromossomas deslocam-se para o centro da célula, formando uma placa equatorial.
Anáfase
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Ocorre a rutura do centrómero, os cromatídios de cada cromossoma separam-se, originando cromossomas com apenas 1 cromatídio; Cada cromossoma inicia a ascensão polar.
Telófase
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O fuso acromático degenera; O invólucro nuclear volta a formar-se à volta da cromatina existente dm cada polo, individualizando os núcleos; No final desta etapa, a célula apresenta 2 núcleos idênticos entre si e ao núcleo que os originou.
Para além da divisão do núcleo, ocorre a divisão do citoplasma e dos organitos para as células que se formam. A divisão do citoplasma da célula que permite a individualização das células filhas denomina-se citocinese. Nas células animais a citocinese ocorre por estrangulamento citoplasmático, enquanto que nas células vegetais se forma uma placa equatorial com produtos transportados pelas vesículas derivadas do Complexo de Golgi.