Exercícios: A expressão génica

Define transcrição e tradução e indica em que local da célula eucariótica ocorre cada um destes processos.

O que é um codão? Indica quantos nucleótidos o constituem, quantos codões distintos existem e quantos aminoácidos diferentes codificam no total.

Observa o esquema do fluxo da informação genética. Indica que moléculas estão assinaladas com A, B e C, que processos ocorrem nas setas 1 e 2, e o que representa a zona delimitada por uma linha descontínua.

Que enzima catalisa a transcrição do ADN para ARN? Indica sobre qual das duas cadeias do gene atua e em que sentido sintetiza a molécula de ARN.

Indica duas diferenças estruturais entre o ADN e o ARN, e explica que bases emparelham durante a transcrição quando a cadeia molde apresenta uma adenina ou uma timina.

Define o que é um gene do ponto de vista da expressão génica e indica que dois tipos de produtos funcionais podem ser gerados por um gene ao expressar-se.

Qual é o codão de iniciação da tradução e que aminoácido codifica? Explica que função desempenham os codões de terminação e o que acontece quando o ribossoma alcança um deles.

Descreve brevemente o que faz o ribossoma durante a tradução: como lê o ARNm, como chegam os aminoácidos e que tipo de ligação se forma entre eles.

A partir da cadeia molde de ADN 3'-TACGGAACT-5', obtém a sequência do ARNm resultante indicando a sua polaridade, e assinala quantos aminoácidos, no máximo, esse fragmento pode codificar.

A partir da seguinte tabela do código genético:

1. a) Traduz o seguinte $\text{mRNA}$: $5'\text{-AUGGCUUAA-}3'$, e indica a sequência de aminoácidos resultante.
2. b) Explica que papel desempenham o primeiro e o último codão do fragmento.

Distingue a função do ARNm, do ARNt e do ARNr na síntese de proteínas, indicando o que cada tipo de ARN contribui para o processo.

A cadeia codificante de um gene tem a sequência 5'-ATGGCTTAA-3'. Indica a sequência do ARNm transcrito, justifica por que razão é quase idêntica à cadeia codificante e explica que papel desempenha, então, a outra cadeia do ADN na transcrição.

Descreve a estrutura característica de um ARNt (forma de trevo, anticodão e extremidade 3') e explica como a célula assegura que cada ARNt se ligue ao seu aminoácido correto, mencionando as enzimas responsáveis.

Ordena as seguintes etapas da expressão génica numa célula eucariótica e justifica a ordem escolhida: ligação do ARNm ao ribossoma, processamento do ARNm, tradução no citosol, saída do ARNm do núcleo, transcrição no núcleo.

Durante a tradução, o ARNm é lido em codões consecutivos, sem separadores entre eles. Explica o que é a grelha de leitura e justifica o que aconteceria à proteína sintetizada se o ribossoma iniciasse a leitura um nucleótido antes da posição correta.

Uma proteína é constituída por $300$ aminoácidos. a) Calcula quantos nucleótidos tem, no mínimo, o ARNm maduro que a codifica, incluindo o codão de terminação. b) Calcula quantos pares de bases ocuparia o gene num organismo sem intrões. c) Justifica por que razão, nos organismos eucarióticos, o gene é frequentemente muito mais longo do que o ARNm maduro correspondente.

Considera o seguinte fragmento da sequência codificante de um ARNm que é traduzido numa proteína citoplasmática:

$5'\text{--- AUG - UCU - UCC - UCA - UCG --- } 3'$

(Nota: os quatro codões que se seguem ao codão de iniciação AUG codificam todos o aminoácido serina).

1. a) A partir deste caso concreto, justifica por que razão o código genético é degenerado e demonstra que esta propriedade não equivale a dizer que o código seja «ambíguo».
2. b) Supõe que se introduzem duas mutações pontuais independentes: o Mutante 1 altera o segundo codão de UCU para UCC; o Mutante 2 altera o terceiro codão de UCC para UAC (que codifica tirosina). Compara o impacto de ambas as mutações na sequência de aminoácidos da proteína e classifica cada mutação de acordo com o seu efeito funcional.
3. c) Justifica que vantagem adaptativa confere o facto de a degenerescência do código genético se concentrar quase sempre na terceira base de cada tripleto (hipótese do emparelhamento oscilante/wobble) em vez de na primeira ou na segunda face às mutações pontuais espontâneas.

O seguinte esquema representa um ribossoma funcional durante a fase de elongamento da tradução:

1. a) Deduz justificadamente a polaridade (extremidades $5'$ e $3'$) da cadeia de ARNm e o sentido no qual o ribossoma se deslocará ao longo dela.
2. b) Escreve a sequência do anticodão do ARNt interrogado (?) especificando obrigatoriamente a sua polaridade $5'\to 3'$ e fundamenta que aminoácido transporta sabendo que o codão GCU codifica alanina.
3. c) Numa estirpe mutante é produzido um ARNt supressor capaz de reconhecer o codão UAA introduzindo o aminoácido tirosina. Prevê o que acontecerá à tradução e ao comprimento da proteína resultante quando o ribossoma alcançar a posição assinalada com o codão de terminação em comparação com a célula selvagem.

No genoma humano, o gene da fibronectina contém numerosos exões e intrões. Nos fibroblastos dá origem a uma isoforma proteica insolúvel que faz parte da matriz extracelular, enquanto nos hepatócitos origina uma isoforma solúvel que circula no plasma sanguíneo.

1. a) Justifica, indicando que mecanismo molecular permite que uma única sequência de ADN genómico dê origem a estas duas proteínas com funções e localizações tão distintas.
2. b) Um paciente apresenta uma mutação pontual que consiste numa transição (G por A) no local aceitador de splicing do intrão 4 deste gene. Prevê duas possíveis alterações na estrutura do ARNm maduro resultante e as suas consequências na proteína sintetizada.
3. c) Se clonarmos este gene humano intacto (com todos os seus intrões e exões) num plasmídeo e o introduzirmos em Escherichia coli, fundamenta se a bactéria sintetizará a fibronectina humana funcional.

A estreptomicina é um antibiótico bactericida que se liga à subunidade $30\text{S}$ do ribossoma procariótico ($70\text{S}$), provocando leituras erróneas do mRNA e inibindo a síntese proteica. Embora seja considerado seletivo face aos ribossomas citoplasmáticos eucarióticos ($80\text{S}$), os doentes sob tratamentos intensivos costumam sofrer nefrotoxicidade e ototoxicidade associadas a disfunção energética celular.

1. a) Baseando-te na teoria endossimbiótica, justifica por que razão este fármaco pode danificar as células humanas e provocar défice de ATP apesar da seletividade de alvo descrita.
2. b) Ao analisar uma estirpe bacteriana resistente à estreptomicina, comprova-se que não degrada o fármaco nem tem bombas de expulsão ativa, mas apresenta uma mutação no gene do cromossoma bacteriano que codifica o rRNA $16\text{S}$. Explica como esta mutação confere resistência sem impedir por completo a função do ribossoma.
3. c) Numa experiência celular utilizam-se ciclo-heximida (inibidor de ribossomas $80\text{S}$) e cloranfenicol (inibidor de ribossomas $70\text{S}$). Prevê o que acontecerá à montagem dos complexos multienzimáticos da cadeia de transporte de eletrões mitocondrial (cujas subunidades têm uma origem genética dual) na presença de cada um destes compostos isoladamente.

Para traduzir os $61$ codões com sentido no código genético padrão, a maioria das células eucarióticas só precisa de sintetizar entre $30$ e $45$ espécies distintas de ARNt, em vez de $61$.

1. a) Explica a base termodinâmica e estrutural da 'hipótese da oscilação' (wobble) de Crick e justifica por que razão esta flexibilidade espacial se restringe ao terceiro nucleótido do codão (extremidade $3'$) e ao primeiro do anticodão (extremidade $5'$).
2. b) O aminoácido valina é codificado por quatro codões: $5'\text{-GUU-}3'$, $5'\text{-GUC-}3'$, $5'\text{-GUA-}3'$ e $5'\text{-GUG-}3'$. Se um ARNt específico apresentar inosina (I) na extremidade $5'$ do seu anticodão (sabendo que a inosina pode emparelhar com U, C e A), determina quantos e quais destes codões poderá este único ARNt ler, escrevendo a sequência do referido anticodão no sentido $5'\to 3'$.
3. c) Fundamenta a vantagem adaptativa que representa para o organismo o facto de a degenerescência do código genético e a oscilação se concentrarem na terceira posição do codão, em comparação com o facto de ocorrerem na primeira ou segunda base perante mutações pontuais.

Estuda-se um gene humano de $24\,000$ pares de bases (pb) que é constituído por $8$ exões e $7$ intrões. Após o processamento completo, o seu ARNm maduro em células musculares tem um comprimento de $1200$ nucleótidos (incluindo as regiões UTR e a cauda poli-A).

1. a) Se se hibridar no laboratório a cadeia molde do ADN genómico com o referido ARNm maduro muscular e se observar o heteroduplex resultante ao microscópio eletrónico, prevê que morfologia apresentará e quantos laços monocatenários se observarão no máximo. Justifica por que ácido nucleico será formado cada laço.
2. b) Um estudante afirma que, ao ter $1200$ nucleótidos, a proteína resultante terá exatamente $400$ aminoácidos de comprimento. Refuta fundamentadamente esta afirmação apresentando pelo menos dois argumentos de índole molecular.
3. c) Em tecido nervoso isola-se um ARNm maduro proveniente do mesmo gene, mas com um tamanho de $1500$ nucleótidos. Fundamenta que fenómeno ocorreu e prevê se a proteína neuronal será necessariamente mais longa do que a muscular, justificando a tua resposta.

Na terapia génica para a neuropatia ótica hereditária de Leber, investiga-se a transferência de uma cópia selvagem de um gene mitocondrial para o núcleo celular (expressão alotópica) para que a proteína seja traduzida no citosol e importada para a mitocôndria. Contudo, no código genético mitocondrial humano, o tripleto UGA codifica triptofano, enquanto no código nuclear padrão atua como codão de terminação.

1. a) Prevê o que aconteceria se o gene mitocondrial fosse transferido para o núcleo sem modificar a sua sequência e fosse transcrito e traduzido nos ribossomas citoplasmáticos. Que repercussão teria sobre o comprimento e a funcionalidade do polipéptido obtido?
2. b) Delineia a estratégia de mutagénese dirigida que a equipa de biotecnologia deve aplicar sobre a sequência codificante do transgene antes de o integrar no núcleo para garantir a síntese da proteína nativa.
3. c) Justifica por que razão o genoma mitocondrial (com apenas $37$ genes e um número muito reduzido de ARNt) pôde 'permitir-se' derivas e alterações na atribuição de codões ao longo da evolução, enquanto no genoma nuclear este tipo de alterações resulta letal para a célula.

Ao observar através de microscopia eletrónica a expressão génica em bactérias (Escherichia coli), distinguem-se estruturas em 'árvore de Natal' onde múltiplos ribossomas traduzem o mRNA enquanto este ainda está a ser sintetizado pela RNA polimerase acoplada ao DNA genómico. Em contrapartida, numa célula humana isto nunca se observa.

1. a) Prevê que consequência imediata terá sobre a síntese de proteínas bacterianas a adição de rifampicina (um inibidor que bloqueia a iniciação da RNA polimerase mas não a atividade dos ribossomas) e compara este efeito com o que ocorreria a curto prazo no citoplasma de uma célula eucariótica.
2. b) Raciocina por que razão o acoplamento transcrição-tradução bacteriano é mecanicamente incompatível com a presença de intrões e com o mecanismo de corte e costura (splicing) típico de eucariotas.
3. c) O mecanismo de regulação génica por 'atenuação' no operão triptofano bacteriano depende de a velocidade de avanço do ribossoma numa sequência-líder determinar a formação de ganchos (ganquilhos) de terminação no RNA recém-transcrito. Justifica de forma fundamentada por que razão este sistema de regulação é inviável nas células eucarióticas.