Genes e cromossomas 3: genes, proteínas e mutações

Introdução

O plano para construir e operar o corpo humano é armazenado em sequências de ácido desoxirribonucleico (DNA) chamadas genes. Esta informação genética é usada para fazer proteínas com diferentes funções, desde proteínas estruturais essenciais para construir músculo, osso e pele até enzimas que catalisam as reacções bioquímicas essenciais para a sobrevivência do corpo. Erros no código genético humano, que são chamados de mutações, por vezes levam à produção de proteínas anormais que podem causar doenças, incluindo doenças auto-imunes e malignidade.

Proteínas

Proteínas são essenciais tanto para o tecido como para a função do corpo humano. Estas macromoléculas complexas são construídas a partir de blocos de construção chamados aminoácidos, compostos orgânicos simples contendo um grupo carboxilo (-COOH) e um grupo amino (-NH2). Existem 20 aminoácidos naturais (Caixa 1); outras variantes podem ser produzidas sinteticamente no laboratório.

Ácidos aminados

Para funcionar eficientemente, As células humanas precisam de construir continuamente novas proteínas para substituir as mais antigas e danificadas. Isto requer um fornecimento constante de todos os 20 aminoácidos. Durante a digestão, o tracto gastrointestinal decompõe sequencialmente as grandes proteínas animais e vegetais contidas nos alimentos em polipéptidos, peptídeos e eventualmente em aminoácidos ‘livres’ que são capazes de atravessar a parede intestinal para serem absorvidos pela corrente sanguínea (VanPutte et al, 2017).

Aminoácidos naturais (Caixa 1) são divididos em duas categorias:

• Essencial – os nove aminoácidos que as células humanas não podem sintetizar e assim necessitam de obter directamente dos alimentos;
• Não-essencial – os 11 aminoácidos que as células humanas podem sintetizar se o fornecimento directo através da dieta for baixo.

Esta terminologia pode ser confusa, uma vez que os chamados aminoácidos não essenciais são realmente essenciais para a construção de proteínas; o termo é meramente usado para denotar o fato de que eles não precisam ser obtidos através da ingestão dietética.

Se a nutrição adequada for mantida através de uma dieta saudável e equilibrada, as células recebem os aminoácidos necessários para a renovação proteica. No entanto, uma dieta pobre, distúrbios alimentares, certos medicamentos e o processo de envelhecimento (que pode reduzir o apetite) podem todos restringir a disponibilidade dietética de aminoácidos, particularmente os nove essenciais. Isto compromete a capacidade do organismo de substituir proteínas, resultando potencialmente em desperdício muscular e doença.

Proteínas

Proteínas formam o maior componente orgânico do corpo humano, constituindo aproximadamente 50% da massa seca de uma célula humana típica (Radivojac, 2013). Elas são sintetizadas no citoplasma das células, onde os aminoácidos são ligados entre si por ligações de peptídeos para formar longas cadeias ramificadas que variam de alguns poucos aminoácidos a milhares. Estas cadeias de aminoácidos dobram ou torcem ainda mais nas configurações tridimensionais únicas que precisam adotar para cumprir seus papéis designados no corpo (VanPutte et al, 2017).

A maior proteína atualmente conhecida no corpo humano é uma proteína muscular chamada titina (ou connectin), que consiste em cerca de 33.000 aminoácidos. Ela funciona como uma mola molecular e pensa-se que contribui para a força de contração muscular (Powers et al, 2014).

O projeto do genoma humano mostrou que os humanos têm pouco menos de 20.000 genes estruturais codificando para proteínas individuais. Entretanto, cada gene pode dar origem a até 100 variantes da proteína para a qual está codificando, de modo que até dois milhões de variedades diferentes de proteínas podem estar presentes no corpo humano (Ponomarenko et al, 2016).

Exemplos de proteínas comuns incluem:

• Actina e miosina – proteínas contráteis encontradas nos músculos;
• Queratina – uma proteína densa encontrada no cabelo, unhas e epiderme da pele;
• Colágeno – uma proteína estrutural de uso geral (usada, por exemplo, para construir uma estrutura de cartilagem e osso) que pode existir em várias formas fibrosas;
• Hormonas proteináceas como a insulina ou glucagon – geralmente em cadeias curtas chamadas peptídeos, estes circulam no sangue e actuam como mensageiros químicos;
• Enzimas catabólicas digestivas como a pepsina, a tripsina e a amilase – estas ajudam a digerir e decompor as macromoléculas alimentares em componentes simples que o corpo pode absorver;
• Anabolizantes como DNA polimerase, ácido ribonucleico (RNA) polimerase e glicogénio sintetase – envolvidos na construção de moléculas de DNA, RNA e glicogénio (amido animal);
• Haemoglobina – envolvidos no transporte de oxigénio e dióxido de carbono nos glóbulos vermelhos do sangue (eritrócitos);
• Anti-corpos, muitas vezes chamados imunoglobulinas – pequenas proteínas em forma de Y que desempenham um papel crucial no sistema imunológico, ligando-se a material estranho, rotulando-o para destruição;
• Neurotransmissores – pequenas proteínas que funcionam como mensageiros químicos no sistema nervoso (por exemplo, substância P);
• Receptores de neurotransmissores – estes (por exemplo, o receptor de acetilcolina) recebem mensagens de neurotransmissores.

Ribossomas

Proteínas são sintetizadas nas células por ribossomas, pequenas organelas densamente dispostas e embutidas no retículo endoplasmático (ER) do citoplasma. O ER é um sistema de membranas interligadas achatadas e a maior parte da sua superfície é coberta por ribossomos, dando-lhe um aspecto rugoso e irregular que levou a que a região fosse conhecida como o ER rugoso. Aqui os ribossomos ‘traduzem’ o código genético através da montagem de aminoácidos para criar proteínas (Lewis, 2018).

Ribossomos são compostos principalmente de uma forma especializada de RNA chamado RNA ribossômico (rRNA), que é estabilizado por pequenas quantidades de proteína que também ajudam a montar os próprios ribossomos (De la Cruz et al, 2015). Numa única célula humana, milhares de ribossomas podem estar a construir activamente proteínas em qualquer altura.

De genes a proteínas

Genes estruturais contêm sequências de ADN que determinam as sequências de aminoácidos nas proteínas. Genes de controle (ou reguladores) controlam quais genes estruturais são expressos (“ligados”) em um dado tecido.

Usar a informação genética contida no DNA para construir proteínas envolve alguns passos distintos:

• Transcrição;
• Modificação pós-transcrição;
• Translação;
• Modificações pós-tradução.

Transcrição

A informação genética armazenada no núcleo de uma célula necessita de ser entregue aos ribossomas no citoplasma. Dentro do núcleo das células, o DNA existe sob a forma de enormes hélices duplas. As moléculas de DNA são demasiado grandes para serem transmitidas directamente aos ribossomas, pelo que a informação genética armazenada no DNA necessita de ser copiada para um meio mais pequeno e móvel – a esse processo chama-se transcrição.

Durante a transcrição, uma sequência genética codificada para uma proteína é copiada do DNA de cadeia dupla para o RNA de cadeia simples (Fig. 1). Moléculas de RNA de cadeia simples são muito menores que as moléculas de DNA e, portanto, podem viajar através dos poros minúsculos da membrana nuclear. O papel da molécula de RNA será fornecer instruções de construção de proteínas a um ribossomo. Como esta forma de RNA transporta informação através do núcleo para o citoplasma, é chamado de RNA mensageiro (mRNA).

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DN, RNA é construído de bases de nucleotídeos, mas ao contrário do DNA não tem base de timina. No RNA, a timina é substituída por outra base nucleotídica chamada uracilo. As regras de emparelhamento de bases na transcrição diferem ligeiramente, portanto, das regras de emparelhamento de bases na replicação de DNA (Caixa 2).

O processo de transcrição de DNA é muito semelhante ao da replicação de DNA (ver parte 2) e envolve os seguintes passos:

• A enzima RNA polimerase liga-se ao início da sequência genética do ADN (também chamada sequência promotora);
• RNA polimerase desenrola uma pequena porção da dupla hélice do ADN para a tornar de cadeia única (um processo muitas vezes descrito como análogo a desfazer um fecho) – a pequena área de ADN de cadeia única desenrolada é chamada de bolha de transcrição (VanPutte et al, 2017);
• Apenas uma das cadeias de DNA expostas contém informações úteis para a construção de uma proteína – essa cadeia é usada como modelo para transcrição;
• RNA polimerase sintetiza uma cadeia complementar de mRNA usando as regras de emparelhamento da base de transcrição.

Box 3 mostra um exemplo de transcrição.

Modificações pós-transcrição

Nada toda a informação codificada em cadeias de mRNA é útil para a construção de uma proteína. Uma nova transcrita filamento de RNA consiste em dois elementos:

• Exons – seqüências de informação essencial para construir uma proteína que tem a seqüência correta de aminoácidos;
• Introns – seqüências que interrompem as seqüências de codificação exon e normalmente não contêm informação útil para construir uma proteína. Uma vez consideradas sequências de junk, pensa-se agora que os introns desempenham um papel na regulação da expressão genética (Chorev e Carmel, 2012).

Os introns precisam de ser cortados e os exons emendados para formar uma sequência de mRNA contígua de ‘alta fidelidade’: este corte e emenda – chamada modificação pós-transcrição – é feito por enzimas no núcleo. O processo é mostrado na Fig 2.

Natureza do código genético

O código genético é um trigêmeo de três bases nitrogenadas codificando para um aminoácido. Como existem 20 aminoácidos que ocorrem naturalmente, três bases permitem que cada aminoácido seja representado por um código triplet (e alguns são representados mais de uma vez). O código triplet também permite que as instruções de ‘iniciar e parar’ sejam codificadas na cadeia de mRNA, para que os ribossomos saibam quando começar e quando terminar a construção de uma proteína.

Cada execução de três bases (código triplet) em uma cadeia de mRNA é chamada de um códon. O primeiro códão em qualquer filamento de mRNA é sempre o códão ‘start’ – chamado AUG – que instrui o ribossomo a iniciar a síntese protéica. Como AUG também codifica para o aminoácido metionina, metionina é o primeiro aminoácido incorporado em uma proteína – se não for realmente necessário, será removido mais tarde (Xiao et al, 2010).

Os aminoácidos eles mesmos são entregues aos ribossomos pela transferência de moléculas de RNA (tRNA). Uma molécula única de RNAt corresponde a cada aminoácido e cada molécula de RNAt tem seu próprio código triplet único, que corresponde a um códon no cordão de mRNA. Estas sequências de tRNA complementam os códons de mRNA e são portanto chamadas de anticódons (VanPutte et al, 2017).

Translation

Após transcrição e modificação pós-tradução, uma sequência madura e ininterrupta de mRNA é gerada. Ao entrar no citoplasma, esta seqüência se liga a um ribossomo e pode então ser usada para síntese de proteínas em um processo chamado tradução.

DNA translação (Fig. 3) ocorre uma série de etapas:

• Uma cadeia de mRNA maduro é ligada a um ribossomo;
• Três bases na cadeia de mRNA (códão) são expostas no ribossomo – por exemplo, AUG (o códão ‘start’ que também codifica a metionina);
• Uma molécula de tRNA chega ao ribossomo, alinha o seu anticódon ao códon no cordão de mRNA e fornece o aminoácido correspondente – por exemplo, para o códon ‘start’ AUG, o correspondente anticódon UAC fornece metionina;
• O cordão de mRNA move-se ao longo do ribossomo por três bases, expondo o próximo códão, depois a molécula de tRNA seguinte chega com o seu anticódão complementar e fornece outro aminoácido;
• As ligações de peptídeo formam-se entre cada aminoácido adjacente e uma cadeia proteica começa a formar-se;
• O cordão de mRNA continua a avançar ao longo do ribossomo por três bases de cada vez, expondo cada códão por sua vez. As moléculas de tRNA com anticodônios correspondentes continuam a entregar aminoácidos, ligações de peptídeo continuam a se formar e a cadeia protéica continua a se alongar;
• Eventualmente, um códão ‘stop’ (UAA, UAG ou UGA) é alcançado no final da cadeia de mRNA e a síntese de proteínas é interrompida – o processo de tradução do DNA criou uma proteína bruta.

Pós-tradução das modificações

A proteína bruta geralmente precisa ser modificada antes de poder adotar sua configuração 3D final e começar a desempenhar sua função no corpo. Estas modificações ocorrem no citoplasma de uma organela chamada aparelho Golgi (também conhecido como o corpo Golgi ou simplesmente o Golgi), que é muitas vezes descrito como a “área de embalagem e exportação” de uma célula.

Proteínas sofrem modificações pós-tradução como se segue:

• A versão bruta da proteína é embalada em um pequeno saco de membrana, a vesícula de transferência;
• A vesícula de transferência deixa o ER bruto e migra para o aparelho Golgi;
• No aparelho de Golgi, a proteína bruta é refinada, o que frequentemente envolve a adição de resíduos de açúcar à cadeia de aminoácidos via glicosilação (Huang e Wang, 2017) – muitas proteínas no corpo humano são na verdade glicoproteínas (proteínas com adição de açúcar);
• A proteína refinada deixa o aparelho Golgi e é usada na célula ou embalada numa vesícula secretora para ser exportada;
• Proteínas concebidas para serem exportadas são descarregadas da célula à medida que a sua vesícula secretora se funde com a membrana plasmática.

Proteínas exportadas podem ser usadas num tecido localmente ou transportadas para regiões distantes do corpo pelo sangue. Por exemplo, a hormona insulina, sintetizada em células beta pancreáticas, é libertada directamente para a circulação quando os níveis de glicose no sangue aumentam. Funciona então como um mensageiro químico que se liga aos receptores (que são eles próprios proteínas) em muitas células humanas, instruindo-as a absorverem glucose, normalizando assim a concentração de glucose no sangue.

Mutações

Para funcionar correctamente, as proteínas devem ter as sequências correctas de aminoácidos, o que em última análise depende do código genético permanecer constante. No entanto, existem tantas bases de nucleotídeos no genoma humano (aproximadamente três bilhões de pares de bases) que os erros ocorrem invariavelmente. Tais erros são chamados de mutações e podem levar à produção de proteínas que podem não funcionar corretamente. Proteínas anormais estão associadas a uma variedade de doenças, incluindo algumas formas de doença auto-imune e malignidade.

Mutações genéticas podem ocorrer aleatoriamente após erros na replicação do DNA (descritos na parte 1 desta série), particularmente à medida que o corpo envelhece; alternativamente, podem ser causadas por fatores ambientais que danificam diretamente as moléculas de DNA. Qualquer coisa que possa danificar o DNA e levar à mutação é chamada de mutagênio (VanPutte et al, 2017). Muitas mutações genéticas ocorrem em seções do DNA que não codificam as proteínas (por exemplo, nos introns não codificadores), portanto geralmente têm pouco impacto na função fisiológica.

Factores conhecidos por danificar o ADN, e portanto aumentar o risco de mutação, incluem:

• Idade crescente;
• Poluentes;
• Infecções – particularmente infecções virais, uma vez que os vírus frequentemente inserem os seus genes no ADN humano, potencialmente interrompendo sequências de genes;
• Radiações – por exemplo, luz ultravioleta (UV) do sol ou raios X de imagens médicas.

A luz UV do sol (particularmente UVB) é conhecida por danificar o DNA nas células da pele. Se a mutação ocorrer nos genes de controle que regulam a divisão celular ou nos genes que codificam as enzimas de reparação do DNA, o resultado pode ser a divisão celular descontrolada e o câncer de pele (Hopkins, 2015). Embora a pele humana exposta à luz solar produza a sua própria protecção UV natural sob a forma de melanina (o pigmento escuro que bronzeia a pele), o esgotamento da camada de ozono e o tempo excessivo ao sol podem levar a doses prejudiciais de radiação UV que aumentam o risco de cancro da pele. Os protectores solares oferecem uma melhor protecção UV e demonstraram reduzir significativamente os danos e cancros cutâneos induzidos pela radiação UV (Green and Williams, 2007).

Mutações como as causadas pela radiação UV ao ADN na pele não são geralmente transmitidas através das gerações. No entanto, quando as mutações afetam as células germinativas dos testículos e ovários, elas podem ser herdadas pela descendência. Mais de 100.000 mutações foram relatadas em células germinais humanas, muitas das quais estão associadas a doenças genéticas hereditárias comuns (Vipond, 2013; Cooper et al, 2010). Algumas delas serão exploradas no quarto e último artigo desta série.