biologia celular e molecular

biologia celular e molecular

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Introdução à Biologia Celular e Molecular

Este texto foi retirado do anexo de [Lem00], revisado por [Bas00], e tem como objetivo principal apresentar alguns conceitos básicos de biologia celular e molecular. Ele foi baseado em [Rob85].

O estudo do mundo vivo mostra que a evolução produziu uma imensa variedade de formas. Existem em torno de quatro milhões de espécies diferentes de bactérias, protozoários, vegetais e animais, que diferem em sua morfologia, função e comportamento. Entretanto sabe-se agora que, quando os organismos vivos são estudados a nível celular e molecular, observa-se um plano único principal de organização. O objetivo da biologia celular e molecular é precisamente este plano unificado de organização – isto é, a análise das células e moléculas que constituem as unidades estruturais de todas as formas de vida.

Há muito tempo atrás observou-se que uma única célula poderia constituir um organismo inteiro, como no caso dos protozoários, ou ser uma das muitas, agrupadas e diferenciadas em tecidos e órgãos, para formar um organismo multicelular.

Assim sendo, a célula é a unidade estrutural e funcional básica dos organismos vivos, da mesma forma que o átomo é a unidade fundamental das estruturas químicas.

Células Procarióticas e Eucarióticas

A vida manifesta-se em milhões de diferentes espécies, que possuem sua própria morfologia e informação genética específica. As espécies podem ser reunidas em grupos progressivamente mais abrangentes – gêneros, ordens, famílias – até o nível dos reinos clássicos, vegetal e animal. Um dos esquemas de classificação, o de Whittaker, postula a divisão em cinco reinos – Monera, Protista, Fungi, Plantae e Animalia, com as suas correspondentes subdivisões.

Esta aparente complexidade simplifica-se com o exame das formas vivas a nível celular. As células são identificadas como pertencentes a dois grupos: procarióticas e eucarióticas. Somente os seres pertencentes ao reino Monera (i.e. bactérias, algas azuis – cianofíceas) possuem células procarióticas, enquanto que todos os outros reinos constituem-se de organismos formados por células eucarióticas. A principal diferença entre estes dois tipos celulares é a ausência de um envoltório nuclear nas células procarióticas. O cromossomo desta célula ocupa um espaço denominado nucleóide, estando em contato direto com o protoplasma. As células eucarióticas possuem um núcleo verdadeiro com um envoltório nuclear elaborado, através do qual ocorrem trocas entre o núcleo e o citoplasma.

Veja na Figura 1 e na Figura 2 as células animal e vegetal, e note a complexidade dos eucariontes.

A estrutura celular visível aos microscópios óptico e eletrônico é resultante de um arranjo de moléculas numa ordem bastante precisa. Apesar de haver muito ainda a ser aprendido, começaram a surgir os princípios gerais da organização molecular de algumas estruturas celulares, como membranas, ribossomos, cromossomos, mitocôndrias e cloroplastos. A biologia celular não pode ser separada da molecular, pois da mesma maneira que as células são os “tijolos” de tecidos e organismos, as moléculas são os “tijolos” das células.

A organização molecular dos seres vivos está baseada na química do carbono. Proteínas, carboidratos, lipídios, etc., são diferentes macromoléculas que contém um grande número de átomos de carbono arranjados de forma distinta.

Numerosas estruturas celulares são constituídas por moléculas bastante grandes denominadas macromoléculas ou polímeros, compostas por unidades repetidas, chamadas monômeros.

Existem três exemplos importantes de polímeros nos organismos vivos. São eles:

- Ácidos nucléicos, que resultam da repetição de quatro diferentes unidades denominadas nucleotídeos. A sequência linear de quatro nucleotídeos na molécula de DNA é a fonte básica da informação genética.

Figura 1. Célula animal.

Figura 2. Célula vegetal.

- Polissacarídeos podem ser polímeros da glicose, formando amido, celulose ou glicogênio, ou podem também envolver a repetição de outras moléculas para formar polissacarídeos mais complexos.

- Proteínas ou polipeptídeos são compostos por aproximadamente 20 aminoácidos, presentes em diversas proporções, unidos por ligações peptídicas. A ordem em que estes 20 monômeros podem se unir dá origem a um número astronômico de combinações em diferentes moléculas protéicas, determinando não só sua especificidade, mas também sua atividade biológica.

Ácidos Nucléicos

Os ácidos nucléicos são macromoléculas de suma importância biológica. Todos os organismos vivos contêm ácidos nucléicos na forma de ácido desoxirribonucléico (DNA) e ácido ribonucléico (RNA).

O DNA é o principal armazenador da informação genética. Esta informação é copiada ou transcrita para moléculas de RNA, cujas as sequências de nucleotídeos contém o “código” para a ordenação específica de aminoácidos. As proteínas são então sintetizadas num processo que envolve a tradução do RNA. Refere-se frequentemente à série de eventos acima relacionada como o dogma central da biologia molecular; ela pode ser resumida na forma (Figura 3):

Figura 3. Processos transcrição e tradução.

Em células superiores, o DNA localiza-se principalmente no núcleo, dentro dos cromossomos. Uma pequena quantidade de DNA fica no citoplasma, contida nas mitocôndrias e cloroplastos. O RNA é encontrado tanto no núcleo, onde é sintetizado, quanto no citoplasma, onde tem lugar a síntese protéica.

Ácidos Nucléicos: uma Pentose, um Fosfato e quatro Bases

Os ácidos nucléicos são compostos por uma molécula de açúcar (pentose), bases nitrogenadas (purinas e piridiminas) e ácido fosfórico. Veja a Figura 4.

. Figura 4. Ácido Nucléico

As pentoses são de dois tipos: ribose no RNA e desoxirribose no DNA. A única diferença do ponto de vista de composição da molécula entre estes dois açúcares é que a desoxirribose possui um átomo de oxigênio a menos.

As bases encontradas nos ácidos nucléicos são também de dois tipos: piridiminas e purinas. No DNA as piridiminas são timina (T) e citosina (C); as purinas são adenina (A) e guanina(G). O RNA contém uracila (U) no lugar de timina.

Existem duas diferenças principais entre o DNA e o RNA. O DNA possui uma molécula de desoxirribose e o RNA, uma de ribose; o DNA contém timina e o RNA, uracila (Figura 5).

Ácido desoxirribonucléico Ácido ribonucléico

LocalizaçãoPrimariamente no núcleo, também nas mitocôndrias e cloroplastos

No citoplasma, nucléolo e cromossomos

Bases pirimidínicas CitosinaTimina Citosina Uracila

Bases purínicas AdeninaGuanina Adenina Guanina

Figura 5. Diferenças principais entre DNA e RNA.

Além de atuarem como as unidade dos ácidos nucléicos, os nucleotídeos são também importantes, pois armazenam e transferem energia química.

Composição Básica do DNA: A = T e G = C

O DNA está presente nos organismos vivos na forma de moléculas lineares de peso molecular extremamente elevado. A E.coli, por exemplo, possui uma molécula única circular de DNA que pesa em torno de 2,7 X 109 dáltons (dálton é uma unidade de massa equivalente a 1/16 da massa de um átomo de oxigênio, ou aproximadamente igual à de um átomo de hidrogênio) e tem um comprimento total de 1,4mm. Em organismos superiores a quantidade de DNA pode ser vários milhares de vezes maior; por exemplo, o DNA de uma única célula diplóide humana, se totalmente esticado, teria um comprimento total de 1,7m.

Toda a informação genética de um organismo vivo está armazenada em sua sequência linear das quatro bases. Portanto, um alfabeto de quatro letras (A, T, C, G) deve codificar a estrutura primária (i.é., o número e a sequência dos 20 aminoácidos) de todas as proteínas. Uma das mais extraordinárias descobertas da biologia molecular foi a elucidação deste código. Um prólogo desta descoberta, que tem ligação direta com o entendimento da estrutura do DNA, foi o achado de que existiam regularidades previsíveis no conteúdo das bases. Entre 1949 e 1953, Chargaff estudou detalhadamente a composição do DNA. Ele observou que, apesar da composição de bases variar de uma espécie para outra, a quantidade de adenina era igual à de timina (A = T) em todos os casos. Foi também notado que o número de bases de guanina e citosina era igual (G = C). Consequentemente, a quantidade total de purinas equivale à de piridiminas(i.é, A + G = C + T). Por outro lado, a razão AT/GC varia consideravelmente entre as espécies.

O DNA é uma Hélice Dupla

Após a descoberta da estrutura do DNA [WC53] ficou explicado a regularidade de sua composição de bases e suas propriedades biológicas, particularmente sua duplicação na célula. A estrutura do DNA é mostrada na Figura 6.

Ele é composto por duas cadeias helicoidais de polinucleotídeos com giro para a direita, formando uma hélice dupla em torno de um mesmo eixo central. As duas fitas são antiparalelas, unidas por pontes de hidrogênio estabelecidas entre os pares de bases.

Desde que existam uma distância fixa entre as duas moléculas de açúcar nas fitas opostas, somente certos pares de bases podem se encaixar na estrutura. Os únicos pares possíveis são o AT e o CG.

Figura 6. A dupla hélice do DNA.

A sequência axial de bases ao longo de uma cadeia de polinucleotídeo pode variar consideravelmente, porém na outra cadeia a sequência deve ser complementar. Devido a esta propriedade, dada uma ordem de bases em uma cadeia, a outra é exatamente complementar. Durante a duplicação do DNA, as duas cadeias dissociam-se e cada uma age como um molde para a síntese da nova cadeia complementar. Assim sendo, são produzidas duas moléculas de DNA de cadeia dupla, possuindo exatamente a mesma constituição molecular.

Cada fita do DNA tem duas extremidades, chamadas de 3' e 5', numa alusão aos átomos de carbono que ficam livres no açúcar que compõem cada nucleotídeo. Há duas observações importantes neste contexto. A primeira é que a extremidade 3' de uma fita corresponde à extremidade 5' da outra. A segunda é que um A em uma fita corresponde a um T na fita oposta, e um C sempre corresponde a um G. É dito que A e T são bases complementares, assim como, C e G. Com isto, a sequência de nucleotídeos numa das fitas determina completamente a molécula de DNA. É justamente esta propriedade que permite a auto-duplicação do DNA. A convenção adotada mundialmente para representar moléculas de DNA é escrever apenas umas das fitas na direção 5' ? 3'.

Estrutura do RNA: classes e conformação

A estrutura primária do RNA é semelhante à do DNA, exceto pela substituição da ribose pela desoxirribose e da uracila pela timina. A composição de bases do RNA não segue as normas de Chargaff, pois as moléculas de RNA são compostas por uma única cadeia.

Existem três principais classes de ácido ribonucléico: o RNA mensageiro (mRNA), o RNA de transferência (tRNA) e o ribossômico (rRNA). Todos estão envolvidos na síntese protéica. O mRNA contém a informação genética para a sequência de aminoácidos, o tRNA identifica e transporta as moléculas de aminoácidos até o ribossomo, e o rRNA representa 50% da massa dos ribossomos, organelas que fornecem um suporte molecular para as reações químicas da montagem de um polipeptídeo.

Proteínas

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