Células e Genomas

A superfície do nosso planeta é habitada por "curiosas coisas vivas", intricadamente organizadas, que tomam as substâncias de sua superfície do nosso planeta é habitada por "curiosas coisas vivas", intricadamente organizadas, que tomam as substâncias de suas vizinhanças e as utilizam como matéria prima para gerar cópias de si própria.

   Os organismos vivos parecem extraordinariamente diversos em quase todos os seus aspectos. O que poderia ser mais diferente que um tigre e uma alga marinha, ou uma bactéria e uma arvore? Já nossos ancestrais, não tendo quaisquer conhecimentos a respeito de células ou de DNA, notaram que todas as coisas vivas tinham algo em comum. A isso, eles chamaram de vida, se maravilharam com ela, empenharam-se para definir e explicar o que era a vida ou como se desenvolveu a partida matéria.

   As descobertas do século XX não diminuíram o encantamento, exatamente o contrário. Desvendaram o mistério envolvendo a natureza da vida. Hoje sabemos que todas as coisas vivas são formadas por células, e que todas as unidades de matéria viva compartilham de uma mesma maquinaria para a maioria de suas funções básicas. A matéria viva apresenta ser infinitivamente variada quando vista por fora, mas é fundamentalmente semelhante por dentro. Toda a biologia é um contraponto entre dois temas: a admirável variedade em particularidades individuais e a admirável constância nos mecanismos fundamentais.

Características Universais das Células na Terra

Estima-se que existam mais de dez milhões - talvez cem milhões - de espécies que atualmente habitam a Terra. Cada uma dessas espécies é diferente e cada uma é capaz de se reproduzir fielmente, produzindo uma progênie pertencente a essa mesma espécie: os organismos parentais transferem as informações específicas, minuciosamente detalhadas, que seus descendentes deem ter.

Este fenômeno da hereditariedade é a parte central da definição da vida: ele diferencia a vida de outros processos, tais como o desenvolvimento de um cristal, a queima de uma chama, ou a formação de ondas na água, nos quais são geradas estruturas ordenadas, mas sem o mesmo tipo de ligação peculiar que se observa entre os pais e os seus descendentes.

Assim como a chama do fogo, os organismos vivos consomem energia livre para criar e manter sua organização; mas a energia livre dirige um sistema imensamente complexo de processos químicos que são especificados pela informação hereditária.

  A maioria dos organismos vivos são células unicelulares; outros organismos, como nos próprios, são constituídos por vastas cidades multicelulares; nas quais grupos de células realizam funções especializadas e estão ligados por intricados sistemas de comunicação. Mas, tanto se trate de uma simples bactéria ou de um agregado de mais de 10¹³ células, como corpo humano, foram gerados a partir da divisão de uma única célula. Consequentemente, uma simples célula é o veículo de informação hereditária que define as espécies. Especificada por esta informação a célula inclui a maquinaria para obter a matéria prima do ambiente e para construir  novas células á sua própria imagem, completa com a nova cópia da informação hereditária. Nada menos que uma célula tem esta capacidade.

A superfície do nosso planeta é habitada por "curiosas coisas vivas", intricadamente organizadas, que tomam as substâncias de sua superfície do nosso planeta é habitada por "curiosas coisas vivas", intricadamente organizadas, que tomam as substâncias de suas vizinhanças e as utilizam como matéria prima para gerar cópias de si própria.

   Os organismos vivos parecem extraordinariamente diversos em quase todos os seus aspectos. O que poderia ser mais diferente que um tigre e uma alga marinha, ou uma bactéria e uma arvore? Já nossos ancestrais, não tendo quaisquer conhecimentos a respeito de células ou de DNA, notaram que todas as coisas vivas tinham algo em comum. A isso, eles chamaram de vida, se maravilharam com ela, empenharam-se para definir e explicar o que era a vida ou como se desenvolveu a partida matéria.

   As descobertas do século XX não diminuíram o encantamento, exatamente o contrário. Desvendaram o mistério envolvendo a natureza da vida. Hoje sabemos que todas as coisas vivas são formadas por células, e que todas as unidades de matéria viva compartilham de uma mesma maquinaria para a maioria de suas funções básicas. A matéria viva apresenta ser infinitivamente variada quando vista por fora, mas é fundamentalmente semelhante por dentro. Toda a biologia é um contraponto entre dois temas: a admirável variedade em particularidades individuais e a admirável constância nos mecanismos fundamentais.

Características Universais das Células na Terra

Estima-se que existam mais de dez milhões - talvez cem milhões - de espécies que atualmente habitam a Terra. Cada uma dessas espécies é diferente e cada uma é capaz de se reproduzir fielmente, produzindo uma progênie pertencente a essa mesma espécie: os organismos parentais transferem as informações específicas, minuciosamente detalhadas, que seus descendentes deem ter.

Este fenômeno da hereditariedade é a parte central da definição da vida: ele diferencia a vida de outros processos, tais como o desenvolvimento de um cristal, a queima de uma chama, ou a formação de ondas na água, nos quais são geradas estruturas ordenadas, mas sem o mesmo tipo de ligação peculiar que se observa entre os pais e os seus descendentes.

Assim como a chama do fogo, os organismos vivos consomem energia livre para criar e manter sua organização; mas a energia livre dirige um sistema imensamente complexo de processos químicos que são especificados pela informação hereditária.

  A maioria dos organismos vivos são células unicelulares; outros organismos, como nos próprios, são constituídos por vastas cidades multicelulares; nas quais grupos de células realizam funções especializadas e estão ligados por intricados sistemas de comunicação. Mas, tanto se trate de uma simples bactéria ou de um agregado de mais de 10¹³ células, como corpo humano, foram gerados a partir da divisão de uma única célula. Consequentemente, uma simples célula é o veículo de informação hereditária que define as espécies. Especificada por esta informação a célula inclui a maquinaria para obter a matéria prima do ambiente e para construir  novas células á sua própria imagem, completa com a nova cópia da informação hereditária. Nada menos que uma célula tem esta capacidade.

Todas as células guardam sua informação Hereditária em um Mesmo Código Químico Linear (DNA)

Os computadores nos familiarizam com o conceito de informação com uma quantidade de mensurável - um milhão de bytes (que correspondem a cerca de 200 páginas de texto) em um disco flexível; 600 milhões em um CD-ROM, etc. Eles também nos tornaram desconfortavelmente cientes de que uma mesma informação pode ser armazenada sob diferentes formas físicas. Um documento que é escrito em um tipo de computador pode não ser legível em outro. Com a evolução do mundo dos computadores, os discos e as fitas de arquivos eletrônicos que usávamos há dez anos tornaram-se incompatíveis com as máquinas atuais. As células vivas, sim como os computadores, lidam com informações e estima-se que venham evoluindo e diversificando-se por mais de 3,5 milhões de anos. Dificilmente imaginaríamos que todas as células armazenassem suas informações da mesma forma, ou que os arquivos de um tipo de célula pudessem ser lidos pelo sistema de processamento de outra célula. Ainda assim, todas as células vivas da terra. Sem nenhuma exceção, armazenaram suas informações hereditárias na forma de moléculas de DNA em fita dupla - longas cadeias poliméricas pareadas não ramificadas, formadas sempre pelos mesmos quatro tipos de monômeros - A, T, C, G. Estes monômeros são ordenados em uma longa sequencia linear, que codifica a informação genética, assim como as sequências numéricas 0 e 1 codificam as informações em um arquivo do computador.

Quando tomamos um pedaço de DNA de uma célula humana e o introduzimos em uma bactéria ou são lidas, interpretadas e copiadas com sucesso. Usando métodos químicos, os cientistas podem obter a sequência completa dos monômeros em qualquer molécula de DNA - estendendo-se por milhões de nucleotídeos - e, desse modo, decifrar a informação hereditária que cada organismo contém.

Todas as células Replicam sua informação Hereditária Seguindo um Padrão de Polimerização

Para entender os mecanismos que tornam possível a ida, deve-se entender a estrutura de cadeia dupla da molécula de DNA. Cada monômero presente em uma cadeia simples de DNA – ou seja, cada nucleotídeo – consiste de duas partes: um açúcar (desoxirribose). Com  um grupo fosfato ligado a ele, e uma base que pode ser adenina, guanina, citosina ou timina. Cada açúcar liga-se ao próximo através do grupo fosfato, com séries de bases sobressaindo-se dela. O polímero de DNA se alonga pela adição de monômeros em uma das extremidades. Para uma fita simples isolada, em princípio, essas bases podem ser adicionadas em qualquer ordem, pois se ligam à próxima da mesma maneira, por meio de uma parte comum de molécula, que é a mesma para todas elas. Na célula viva, entretanto, existe uma restrição: o DNA não é sintetizado isoladamente como uma fita livre, mas um molde padrão formado por uma fita de DNA preexistente. As bases da fita molde existente ligam-se ás outras bases da fita que está sendo sintetizada de acordo com uma regra estrita definida pelas estruturas de bases: A liga-se com T, e C  liga-se com G. Este pareamento de bases mantém os novos monômeros no lugar e, desse modo, controla a seleção de qual dos quatro monômeros será o próximo a ser adicionado à fita crescente. Dessa forma, a estrutura de fita dupla é criada, consistindo de duas sequências exatamente complementares de As, Cs, Ts e Gs. Essas duas fitas torcidas entre si, formam a estrutura em dupla hélice.

    As ligações entre os pares de bases são fracas quando comparadas com as ligações açúcar fosfato, permitindo que as duas fitas de DNA  sejam separadas sem que ocorram danos aos seus esqueletos. Sendo assim, cada fita pode servir de molde, da maneira já descrita, para a síntese de uma nova fita de DNA complementar a si própria – isto é, uma nova cópia da informação hereditária. Em diferentes tipos de células, este processo de replicação de DNA ocorre com diferentes velocidades controles para inciá-lo ou interrompê-lo e diferentes moléculas auxiliares, que atuam durante esses processos. Entretanto, os princípios básicos são universais: o DNA é um depósito de informações, e a polimerização moldada é a maneira pela qual estas informações são copiadas pelo mundo vivo.

Todas as Células Transcrevem Porções de Suas Informações Hereditárias em uma Mesma Forma Intermediária (RNA)

Para manter sua função de informação, o DNA deve ser capaz de fazer mais do que simples cópias de si mesmo, antes de cada divisão celular, pelo mecanismo já descrito. Ele deve também expressar sua informação, usando-a para guiar a síntese de outras moléculas na célula. Isso ocorre por um mecanismo que também é o mesmo em todos os outros organismos vivos, levando primeiro, e acima de tudo à produção de duas outras classes chave de polímeros: RNAs e proteínas. O processo começa com uma polimerização dirigida (moldada) chamada de Transcrição, na qual partes de sequência de DNA são usadas como moldes para guiar a síntese de moléculas menores intimamente relacionadas – polímeros de ácido ribonucleico (RNA). Depois, em um processo mais complexo, chamado de tradução, muitas dessas moléculas de RNA direcionam a síntese de polímeros pertencentes a classes químicas radicalmente diferentes- as proteínas.

   No RNA , o esqueleto é formado por um açúcar ligeiramente diferente daquele do DNA – ribose em vez de desoxirribose -, e uma das quatro bases também é ligeiramente diferente – uracila (U) no lugar de timina (T); mas as três outras bases – A, C e G – continuam sendo as mesmas, e todos os quatros pares de bases se pareiam com suas contrapartes complementares no DNA – A, U, C e G do RNA com T, A G e C do DNA, respectivamente. Durante a transcrição, os monômeros de RNA são alinhados e selecionados para a polimerização numa fita molde de DNA da mesma forma que os monômeros de DNA são selecionados DNA são selecionados durante a replicação. Como consequência, tem-se uma molécula de polímero cuja sequência de nucleotídeos representa fielmente uma parte da informação genética da célula, embora escrita em um alfabeto ligeiramente diferente, consistindo de monômeros de RNA e não de monômeros de DNA.

   O mesmo segmento de DNA pode ser usado repetidamente para guiar a síntese de vários transcritos de RNA idênticos. Assim, enquanto o arquivo de informação genética da célula na forma de DNA é fixo, os RNAs transcritos são produzidos em massa e descartados. Como poderemos ver, o papel primário da maioria desses transcritos é servir como intermediário na transferência da informação genética: eles atua como RNAs mensageiros (mRNA) para guiar a síntese de proteínas, de acordo com  as instruções genéticas armazenadas no DNA.

   As moléculas de RNA possuem estruturas distintas que também podem conferir-lhes outras características químicas especializadas. Sendo fita simples, seu esqueleto é flexível, podendo dobrar-se para permitir que uma parte da molécula forme ligações fracas com outra parte dessa molécula. Isso acontece quando os fragmentos da mesma sequência são localmente complementares: um segmento GGGG..., por exemplo, tenderá a se associar com um segmento….CCCC....Esses tipos de associações internas podem fazer com que uma cadeia de RNA se dobre em uma forma específica, dirigida por sua sequência. A forma da molécula de RNA, por sua vez, pode habilitá-la a reconhecer outras moléculas, ligando-se a elas seletivamente – e ainda, em alguns casos, catalisar mudanças químicas nas moléculas ás quais estão ligadas. Como veremos mais adiante algumas poucas reações químicas catalisadas por moléculas de RNA são crucias para muitos antigos e fundamentais processos nas células vivas, e tem-se sugerido que as catálises mais extensivas realizadas por RNA desempenham um papel central da evolução da vida.

Todas as células Usam Proteína Como Catalisadoras

As moléculas de proteína, como as moléculas de DNA e de RNA, são cadeias poliméricas longas não ramificadas, formadas por sequências de blocos construtores monoméricos retirados de um repertório padrão encontrados em todas as células vivas. Assim como o DNA e o RNA, elas carregam informações em uma forma de sequências lineares de símbolos, da mesma forma que uma mensagem humana é escrita em um código alfabético. Existem muitas moléculas diferentes de proteínas em cada célula e – descontando aquelas correspondentes á água – elas constituem a maior parte da massa de uma célula.

      Os monômeros de uma proteína, os aminoácidos, são complemente diferentes dos monômeros dos RNAs e dos DNAs e são os 20 tipos de diferentes, em vez de quatro. Cada aminoácido é constituído da mesma estrutura básica, por meio do qual pode se ligar de um modo padrão a qualquer outro aminoácido.; ligados a essa mesma estrutura básica, existem cadeias laterais que atribuem a cada aminoácido uma característica química distinta. Cada molécula de proteína, ou polipeptídeo, formada pela união de aminoácidos em uma sequência particular, adquire conformações específicas, formando uma estrutura tridimensional precisa, com sítios reativos em sua superfície. Esse polímero de aminoácidos liga-se com alta especificidade a outras moléculas e atuam como enzimas catalisando reações nas quais ligações covalentes são formadas e quebradas. Dessa maneira, elas dirigem a maioria dos processos químicos nas células. As proteínas são encarregadas de muitas outras funções, tais como estruturais geradoras de movimento, sensorial etc; cada molécula de proteína desempenha funções específicas de acordo com sua própria sequência de aminoácidos, especificada geneticamente. As proteínas acima de tudo são as responsáveis por colocar em ação a informação genética da célula.

   Assim, os polinucleotídios especificam a sequência de aminoácidos das quais proteínas que, por sua vez, catalisam muitas reações químicas, incluindo aquelas pelas quais novas moléculas de DNA são sintetizadas e a informação genética no DNA é utilizada para produzir tanto RNA quanto proteínas. Esse ciclo de retroalimentos é a base do comportamento autocatalítico da própria reprodução dos organismos vivos.

Bibliografia:

ALBERTS, Bruce. Biologia Molecular da Célula. (Artemed)