Genes e cromossomos

Os genes são formados por ácido desoxirribonucleico (DNA). O DNA contém o código, ou o projeto, usado para sintetizar uma proteína ou uma molécula de ácido ribonucleico (RNA). Os genes variam de tamanho, dependendo do tamanho da proteína ou do RNA que eles codificam.

Cada molécula de DNA é constituída por uma hélice longa e dupla, que parece com uma escada em caracol formada por milhões de degraus. Os degraus seriam os pares de quatro tipos de moléculas denominadas bases (nucleotídeos). Em cada degrau, a adenina (A) pareia com a timina (T), ao passo que a guanina (G) pareia com a citosina (C). Cada molécula de DNA extremamente longa está enrolada em uma espiral ascendente no interior de um dos cromossomos.

Estrutura do DNA

O DNA (ácido desoxirribonucleico) é o material genético da célula contido nos cromossomos, que, por sua vez, se encontram no núcleo e na mitocôndria da célula. Exceto para algumas células (por exemplo, espermatozoides, óvulos e glóbulos vermelhos), o núcleo celular contém 23 pares de cromossomos. Muitos genes são encontrados em um cromossomo. Um gene é um segmento de DNA que fornece o código para formar uma proteína ou molécula de RNA. A molécula de DNA é uma longa hélice dupla enrolada em si mesma, semelhante a uma escada em caracol. Dentro dela, duas fitas, compostas por moléculas de carboidratos (desoxirribose) e moléculas de fosfatos, unem-se devido ao emparelhamento de quatro moléculas denominadas bases, as quais formam os degraus da escada. Nesses degraus, a adenina faz par com a timina, ao passo que a guanina faz par com a citosina. Cada par de bases é ligado por uma ponte de hidrogênio. Um gene consiste de uma sequência de bases. As sequências de três bases codificam um aminoácido (os aminoácidos são as unidades de construção das proteínas) ou outras informações.

As proteínas são compostas de uma longa cadeia de aminoácidos ligados uns aos outros. Existem 20 aminoácidos diferentes que podem ser usados na síntese proteica, alguns provenientes da dieta (aminoácidos essenciais) e alguns são sintetizados por enzimas no corpo. Assim que uma cadeia de aminoácidos é montada, ela se dobra para criar uma estrutura tridimensional complexa. É a forma da estrutura dobrada que determina sua função no corpo. Como a dobra é determinada pela sequência precisa de aminoácidos, cada sequência diferente resulta em uma proteína diferente. Algumas proteínas, como a hemoglobina, contêm várias cadeias diferentes dobradas. As instruções para a síntese de proteínas são codificadas no DNA.

As informações são codificadas no DNA pela organização da sequência de bases (A, T, G e C). O código é escrito em trincas. Ou seja, as bases são organizadas em grupos de três. As sequências especiais de três bases no DNA codificam as instruções, como a adição de um aminoácido à cadeia. Por exemplo, GCT (guanina, citosina, timina) codifica a adição do aminoácido alanina e GTT (guanina, timina, timina) codifica a adição do aminoácido valina. Assim, a sequência dos aminoácidos em uma proteína é determinada pela ordem da trinca de pares de base no gene para a proteína específica na molécula de DNA. O processo de transformação da informação genética codificada em uma proteína envolve a transcrição e a tradução.

Transcrição é o processo no qual as informações codificadas no DNA são transferidas (transcritas) para o ácido ribonucleico (RNA). O RNA é uma longa cadeia de bases semelhantes a uma fita de DNA, exceto pela base uracila (U) que substitui a base timina (T). Assim, o RNA contém as informações codificadas em trinca, como o DNA.

Quando a transcrição é iniciada, parte da dupla hélice de DNA se abre e se desenrola. Uma das fitas desenroladas do DNA age como um molde contra a fita complementar de DNA que se forma. A fita complementar de DNA é chamada de RNA mensageiro (mRNA). O mRNA se separa do DNA, deixa o núcleo e passa para o citoplasma da célula (a parte da célula fora do núcleo). No citoplasma, o mRNA se acopla a um ribossomo, que é uma estrutura pequena na célula, onde a síntese proteica ocorre.

Com a tradução, o código do mRNA (a partir do DNA) transmite a informação ao ribossomo sobre a ordem e o tipo de aminoácidos ao qual ele deve se ligar. Os aminoácidos são trazidos ao ribossomo por um tipo muito menor de RNA chamado RNA de transferência (tRNA). Cada molécula de RNA de transferência transporta e incorpora um aminoácido à cadeia de proteína que está sendo produzida, a qual se dobra em uma estrutura tridimensional complexa sob a influência das moléculas vizinhas, chamadas de moléculas chaperones.

Existem muitos tipos de células no corpo de uma pessoa, como as células cardíacas, as células hepáticas e as células musculares. Essas células têm aparência e ação diferentes e produzem substâncias químicas muito diferentes. Contudo, todas as células são descendentes de um óvulo único fertilizado e assim contêm essencialmente o mesmo DNA. As células adquirem aparências e funções muito diferentes devido aos diferentes genes que são expressos em células diferentes (e em momentos diferentes na mesma célula). As informações sobre quando um gene deve ser expresso também são codificadas no DNA. A expressão do gene depende do tipo de tecido, da idade da pessoa, da presença de sinais químicos específicos e de vários outros fatores e mecanismos. O conhecimento desses outros fatores e mecanismos que controlam a expressão gênica está aumentando rapidamente, mas muitos deles ainda continuam pouco compreendidos.

Os mecanismos pelos quais os genes se controlam são muito complicados. Os genes têm marcadores químicos para indicar onde a transcrição deve começar e terminar. Várias substâncias químicas (como as histonas) dentro e em volta do DNA bloqueiam ou permitem a transcrição. Além disso, uma fita de RNA chamada RNA antissentido pode parear com uma fita complementar de mRNA e bloquear a tradução.

As células se reproduzem dividindo-se em duas. Como cada célula nova precisa de um conjunto completo de moléculas de DNA, as moléculas de DNA na célula original devem se reproduzir (replicar) durante a divisão celular. A replicação acontece de uma forma similar à transcrição, exceto pelo fato de que uma molécula inteira de DNA de fita dupla se desenrola e se divide em duas. Após a divisão, as bases de cada fita se ligam às bases complementares (A com T e G com C) que flutuam na vizinhança. Quando esse processo é concluído, duas moléculas idênticas de DNA fita dupla existem.

Para evitar confusões durante a replicação, as células devem ter uma função de "revisão" para ajudar a garantir que as bases são pareadas adequadamente. Há também dois mecanismos químicos para reparar o DNA que não foi copiado corretamente. Entretanto, devido aos bilhões de pares de bases envolvidos e à complexidade do processo de síntese proteica, podem ocorrer erros. Esses erros podem ocorrer por inúmeras razões (como exposição à radiação, medicamentos ou vírus) ou por nenhuma razão aparente. Variações menos importantes no DNA são muito comuns e ocorrem na maioria das pessoas. A maioria das variações não afeta as cópias subsequentes do gene. Os erros que são duplicados em cópias subsequentes são chamados de mutações.

Mutações herdadas são mutações que podem ser transmitidas aos descendentes. As mutações podem ser herdadas apenas quando afetam as células reprodutoras, (espermatozoides ou óvulos). As mutações que não afetam as células reprodutoras, afetam as células descendentes das células mutantes (por exemplo, pode se tornar um câncer), mas não são transmitidas à descendência.

As mutações podem ser únicas em uma pessoa ou família, e a maioria das mutações prejudiciais é rara. As mutações que se tornam tão comuns que afetam mais de 1% de uma população são chamadas de polimorfismos (por exemplo, os tipos de sangue A, B, AB e O). A maioria dos polimorfismos exerce pouco ou nenhum efeito no fenótipo (a estrutura e função reais do corpo de uma pessoa).

As mutações podem envolver segmentos grandes ou pequenos de DNA. Dependendo do tamanho e da localização, a mutação pode não ter efeito aparente, pode alterar a sequência de aminoácidos em uma proteína ou reduzir a quantidade de proteína produzida. Se a proteína tiver uma sequência de aminoácido diferente, ela pode ter uma função diferente ou não. Uma proteína ausente ou sem funcionamento é frequentemente danosa ou fatal. Por exemplo, na fenilcetonúria, uma mutação resulta na deficiência ou na ausência da enzima fenilalanina hidroxilase. Essa deficiência permite que o aminoácido fenilalanina (absorvido da dieta) se acumule no corpo, o que pode resultar em incapacidade intelectual grave.

Em casos raros, uma mutação introduz uma alteração que é vantajosa. Por exemplo, no caso do gene de células falciformes, quando a pessoa herda duas cópias do gene anormal, ela desenvolverá doença falciforme. No entanto, quando uma pessoa herda apenas uma cópia do gene de células falciformes (chamada portadora), ela desenvolve alguma proteção contra malária (uma infecção do sangue). Embora a proteção contra malária possa ajudar um portador a sobreviver, a doença falciforme (em uma pessoa que tenha duas cópias do gene) causa sintomas e complicações que podem reduzir a expectativa de vida.

A seleção natural se refere ao conceito de que mutações que comprometem a sobrevida em um dado ambiente são menos prováveis de serem passadas para os descendentes (e assim se torna menos comum na população), enquanto as mutações que aumentem progressivamente a sobrevida se tornam mais comuns. Desta forma, as mutações benéficas, embora inicialmente raras, geralmente se tornam comuns. As mudanças lentas, que ocorrem com o tempo, provocadas por mutações e seleção natural em uma população híbrida, em conjunto, são denominadas de evolução.

Exceto por algumas células (por exemplo, espermatozoides e óvulos ou glóbulos vermelhos), o núcleo de cada célula humana normal contém 23 pares de cromossomos, totalizando 46 cromossomos. Normalmente, cada par consiste em um cromossomo proveniente da mãe e um do pai.

Existem 22 pares de cromossomos não sexuais (autossômicos) e um par de cromossomos sexuais. Os cromossomos não sexuais pareados são, para objetivos práticos, idênticos em tamanho, forma, posição e número de genes. Como cada membro de um par de cromossomos não sexuais contém um de cada gene correspondente, existe uma espécie de cópia de segurança para os genes nos cromossomos.

O 23.º par é composto pelos cromossomos sexuais (X e Y).

O par de cromossomos sexuais determina o sexo do feto, masculino ou feminino. Os homens têm um cromossomo X e um Y. O X masculino é proveniente da sua mãe e o Y, do seu pai. As mulheres apresentam dois cromossomos X, um do pai e o outro da mãe. Algumas vezes, a função dos cromossomos sexuais é diferente dos cromossomos não sexuais.

O menor cromossomo Y transporta os genes que determinam o sexo masculino, bem como outros poucos genes. O cromossomo X contém muito mais genes que o cromossomo Y, muitos dos quais apresentam funções além da determinação sexual e não têm um correspondente no cromossomo Y. Em homens, como não existe o segundo cromossomo X, os genes extra no cromossomo X não são pareados e teoricamente todos são expressos. Os genes no cromossomo X são citados como genes ligados ao sexo ou de ligação X.

Normalmente, nos cromossomos não sexuais, os genes em ambos os pares de cromossomos podem ser completamente expressos. Entretanto, em mulheres, a maioria dos genes em um dos dois cromossomos C é desativada através de um processo chamado inativação do X (exceto nos óvulos nos ovários). A inativação do X ocorre precocemente na vida do feto. Em algumas células, o X do pai se torna inativo e em outras células, o X da mãe é inativado. Assim, uma célula pode expressar um gene da mãe e outra célula pode expressar um gene do pai. Devido à inativação do X, a ausência de um cromossomo X normalmente resulta em anomalias relativamente menos importantes (como a síndrome de Turner). Desta forma, a ausência de um cromossomo X é bem menos danosa que a ausência de um cromossomo não sexual (Consulte Considerações gerais sobre anomalias dos cromossomos sexuais).

Cromossomo X inativo

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Cortesia do Dr. L. Carrell e do Dr. H. Williard, Case Western Reserve University School of Medicine.

Se uma mulher tiver um distúrbio no qual ela tenha mais de dois cromossomos X, os cromossomos extra tendem a ser inativados. Então, ter um ou mais cromossomos X extra provoca anomalias de desenvolvimento muito menos importantes que um ou mais cromossomos não sexuais extra. Por exemplo, as mulheres com três cromossomos X (síndrome do triplo X) geralmente não são afetadas nem física nem mentalmente. Homens com mais de um cromossomo Y (consulte Síndrome XYY) podem ser afetados física e mentalmente.

Existem vários tipos de anomalias cromossômicas. Uma pessoa pode ter um número de cromossomos anormais ou ter áreas anormais em um ou mais cromossomos. Muitas dessas anomalias podem ser diagnosticadas antes do nascimento (consulte Exames quanto a anomalias cromossômicas e genéticas).

Números anormais de cromossomos não sexuais geralmente resultam em várias anomalias graves. Por exemplo, receber um cromossomo não sexual extra pode ser fatal para um feto ou pode dar origem a anomalias, como síndrome de Down, que geralmente resulta de uma pessoa apresentar três cópias do cromossomo 21. A ausência de um cromossomo não sexual é fatal para o feto.

Grandes áreas em um cromossomo podem ser anormais, normalmente porque uma parte inteira foi deixada de fora (evento chamado de deleção) ou colocada em outro cromossomo por engano (evento chamado de translocação). Por exemplo, às vezes, a leucemia mieloide crônica é causada pela translocação de parte do cromossomo 9 para o cromossomo 22. Essa anomalia pode ser herdada ou ser o resultado de uma nova mutação.

As mitocôndrias são estruturas diminutas no interior das células que sintetizam moléculas usadas para energia. Cada célula contém entre 1.000 e 2.500 mitocôndrias. Diferente de outras estruturas dentro das células, cada mitocôndria contém seu próprio cromossomo circular. Esse cromossomo contém DNA (DNA mitocondrial) contendo 37 genes que codificam 13 proteínas, vários tipos de RNA e várias enzimas. O DNA mitocondrial normalmente é proveniente apenas da mãe porque, em geral, quando um óvulo é fertilizado, apenas as mitocôndrias do óvulo participam do desenvolvimento do embrião. As mitocôndrias do espermatozoide normalmente não participam do desenvolvimento embrionário.