Como funciona a vida: DNA e enzimas

Para entender uma herança genética, precisamos saber um pouco sobre genes. Se você leu Como funcionam as células, então sabe um pouco sobre funcionamento interno da bactéria E. coli e pode ignorar esta seção. Eis um resumo rápido para destacar os pontos mais importantes em Como funcionam as células:

• uma bactéria é um pequeno organismo unicelular. No caso da E. coli, as bactérias têm quase um centésimo do tamanho de uma célula humana normal. Você pode pensar na bactéria como uma parede celular; pense na parede celular como um delgado saco plástico, preenchida com várias proteínas, enzimas e outras moléculas, mais uma longa fita de DNA, tudo flutuando em água;

• a fita de DNA na E. coli contém cerca de 4 milhões de pares base e esses pares base estão organizados em quase 1.000 genes. Um gene é simplesmente um modelo para uma proteína e, normalmente, essas proteínas são enzimas;

• uma enzima é uma proteína que acelera uma reação química em particular. Por exemplo, uma das 1.000 enzimas no DNA de uma E. coli deve saber como quebrar uma molécula de maltose (um açúcar simples) em suas duas moléculas de glicose. Isso é tudo que essa enzima em particular pode fazer, mas essa ação é importante quando uma E. coli está comendo maltose. Quando a maltose é quebrada em glicose, outras enzimas atuam nas moléculas de glicose para transformá-las em energia para a célula usar;

• para uma enzima fazer o que precisa, os mecanismos químicos dentro de uma célula E. coli fazem uma cópia de um gene a partir de uma fita de DNA e usa esse modelo para formar a enzima. A E. coli pode ter milhares de cópias de algumas enzimas flutuando em seu interior, e apenas umas poucas cópias de outras. A coleção de 1.000 ou mais diferentes tipos de enzimas que flutuam na célula fazem toda a química possível. Essa química torna a célula "viva" - permite que a E. coli sinta o alimento, se movimente, coma e se reproduza.

Você pode ver que, em qualquer célula viva, o DNA ajuda a criar enzimas e as enzimas criam as reações químicas que são a "vida".

Reprodução sexual
As bactérias se reproduzem assexuadamente. Isso significa que, quando uma célula de bactéria se divide, as duas metades da divisão são idênticas - elas contêm exatamente o mesmo DNA. O descendente é um clone do pai.

Como explicado em Como funciona a reprodução humana, os organismos superiores como plantas, insetos e animais se reproduzem sexuadamente e este processo torna as ações da evolução mais interessantes. A reprodução sexual pode criar uma grande quantidade de variação dentro de uma espécie. Por exemplo, se dois pais tiverem múltiplos filhos, todas as crianças podem ser notadamente diferentes. Dois irmãos podem ter cor de cabelo diferente, pesos diferentes, tipo sanguíneos diferentes e assim por diante. Eis o que acontece:

• em vez de um longo laço de DNA como uma bactéria, as células das plantas e animais têm cromossomos que carregam as fitas de DNA. As pessoas têm 23 pares de cromossomos, para um total de 46 cromossomos. As moscas das frutas têm cinco pares. Os cães têm 39 pares e algumas plantas têm mais de 100;

  Os cromossomos humanos detêm o DNA do genoma humano; cada pai contribui com 23 cromossomos

• os cromossomos se apresentam em pares. Cada cromossomo é uma fita fortemente empacotada de DNA. Há duas fitas de DNA agregadas no centrômero para formar uma estrutura em formato de X. Uma fita vem da mãe e outra vem do pai;
• como há duas fitas de DNA, isso significa que os animais têm duas cópias de cada gene, em vez de uma cópia como em uma célula E. coli;

  Foto cedida pela U.S. DOE, Projeto Genoma Humano

• quando uma fêmea cria um óvulo ou um macho cria um espermatozóide, as duas fitas de DNA devem se combinar em uma única fita. O espermatozóide e o óvulo da mãe e do pai contribuem cada um com uma cópia de cada cromossomo. Eles se reúnem para dar à nova criança duas cópias de cada gene;
• para formar a única fita no espermatozóide ou óvulo, uma cópia ou a outra de cada gene é escolhida aleatoriamente. Um  gene do par de genes de cada cromossomo é passado para a criança.

Devido à natureza aleatória da seleção genética, cada criança obtém uma mistura diferente de genes do DNA da mãe e do pai. É por isso que as crianças dos mesmos pais podem ter tantas diferenças.

Um gene não é nada além de um modelo para a criação de uma enzima. Isso significa que, em qualquer planta ou animal,  há dois modelos para cada enzima. Em alguns casos, os dois modelos são iguais (homozigoto), mas em alguns casos os dois modelos são diferentes (heterozigotos).

Eis um exemplo bem conhecido das ervilheiras. As ervilheiras podem ser altas ou baixas. A diferença surge, de acordo com Carol Deppe no livro "Produza suas Próprias Variedades Vegetais":

...na síntese de um hormônio vegetal chamado giberelina. A versão "alta" do gene é normalmente a forma encontrada no meio selvagem. A versão "baixa", em muitos casos, tem uma forma menos ativa das enzimas envolvidas na síntese do hormônio, de modo que as plantas são mais baixas. Nos referimos a dois genes como alelos um do outro quando eles são herdados como alternativas uma para o outro. Em termos moleculares, alelos são as diferentes formas do mesmo gene. Pode haver mais de dois alelos de um gene em uma população de organismos. Mas qualquer organismo tem apenas dois alelos. As plantas mais baixas não podem competir com as formas mais altas no meio selvagem. Um mutante baixo em um local de plantas altas ficará encoberto. Esse problema não é relevante quando um humano planta um canteiro ou campo com nada além de plantas baixas. E as plantas baixas podem ser mais precoces que as altas, ou menos sujeitas a tombamento (queda) na chuva ou vento. Elas também podem ter uma proporção mais alta de grãos que o resto das plantas. Portanto, as plantas mais baixas podem ser vantajosas como culturas cultivadas. Mutações específicas ou alelos não são bons ou ruins, mas apenas em um certo contexto. Um alelo que promove melhor crescimento em clima quente pode promover crescimento inferior em clima frio, por exemplo.

Uma coisa a perceber na citação de Deppe é que uma mutação em um único gene pode não afetar um organismo, ou seu descendente, ou o descendente de seu descendente. Por exemplo, imagine um animal que tenha duas cópias idênticas de um gene em um alelo. Uma mutação muda um de seus dois genes de modo perigoso. Considere que uma criança recebe este gene mutante do pai. A mãe contribui com um gene normal, de modo que não tem efeito na criança (como no caso do gene da ervilheira "baixa"). O gene mutante pode persistir através de muitas gerações e nunca ser percebido até que, em certo ponto, os pais da criança contribuam com uma cópia do gene mutante. Nesse ponto, tomando o exemplo da citação de Deppe, você pode obter uma ervilheira baixa pois a planta não forma a quantidade normal de giberelina.

Outra coisa a perceber é que muitas formas diferentes de um gene podem estar flutuando ao redor de uma espécie.