Biologia do ensino fundamental · Grades 1–9
65Os genes e o DNA
Os cromossomos carregam os determinantes — mas um fio ainda não é um texto. O que, ao longo de um cromossomo, é um determinante? E de que é feito o fio, para que um núcleo de milésimos de milímetro de largura consiga guardar as instruções de um ser humano inteiro (Exercício 63.12)? Dois nomes respondem, e eles são os mais famosos da biologia moderna: o gene e o DNA.
65.1 Os genes: os determinantes, localizados
Definição 65.1 (O gene e os alelos)
Um gene é um determinante tornado preciso: um trecho de um cromossomo que carrega as instruções para a parte que uma característica tem na construção — um gene para a maquinaria dos grupos sanguíneos, outros para os pigmentos da cor dos olhos, milhares e milhares ao longo dos 46 fios, cada um no endereço fixo dele. Um gene pode existir em várias versões — os alelos: as versões A, B e O do gene do grupo sanguíneo, as versões castanha e azul do gene da cor dos olhos. Mesmo endereço, grafia diferente.
Proposição 65.2 (Duas cópias, e o que significa aparecer)
Os cromossomos vêm em pares (Proposição 64.2) — então todo gene vem em duas cópias, uma por parceiro, uma de cada um dos pais. As cópias podem ser o mesmo alelo ou alelos diferentes; quando são diferentes, uma pode ser expressa e a outra carregada em silêncio — e os mistérios do álbum de família se resolvem em mecanismo:
- o carregar sem mostrar (Exemplo 63.5): o alelo silencioso viaja no segundo parceiro;
- o filho do grupo O de pais A e B (Problema 63.1): cada um dos pais carregava um O silencioso, e a redução à metade distribuiu os dois O juntos;
- o filho de olhos azuis de pais de olhos castanhos: dois azuis silenciosos se encontrando — uma chance em quatro, quando cada um dos pais carrega um: a redução à metade distribui o azul de cada um deles com uma chance em duas, e as duas distribuições são independentes.
Demonstração. Admitido neste nível. ∎
Exemplo 65.3 (Os grupos sanguíneos, totalmente mecanizados)
Um gene, três alelos, duas cópias por pessoa: A com A ou com O mostra o grupo A; B com B ou com O mostra B; A com B mostra AB (os dois expressos — nem sempre dá para silenciar um alelo); O com O mostra O. O padrão inteiro do registro de doações — inclusive cada “surpresa” — é a aritmética das distribuições de duas cópias.
65.2 O DNA: aquilo em que o texto está escrito
Definição 65.4 (O DNA)
Quimicamente, um cromossomo é uma molécula imensamente comprida e enrolada de DNA (com proteínas de empacotamento): uma fita dupla — a famosa escada torcida — cujos degraus são pares de quatro letras químicas. A ordem das letras ao longo da fita é a informação: um gene é um trecho dessa sequência, como uma frase é um trecho de uma página. Quatro letras, três bilhões delas num baralho humano — texto que basta para o conjunto inteiro de instruções de uma construção, enrolado dentro de cada núcleo.
Exemplo 65.5 (Vendo com os próprios olhos)
O DNA dá para extrair na cozinha: amasse uma banana ou uma cebola, acrescente água salgada e um pouco de detergente (as membranas desfeitas — os envelopes da Definição 45.1 são o alvo dele), coe e ponha álcool gelado por cima: no limite entre os dois sobe um emaranhado de fios esbranquiçados, que dá para enrolar num palito. Esses fios são DNA — a molécula de verdade deste capítulo, em centímetros de verdade.
Proposição 65.6 (O que a estrutura do DNA explica)
A fita dupla não é enfeite — cada propriedade dela responde a uma pergunta antiga:
- a cópia (as divisões fiéis da Proposição 29.7): as duas fitas são complementares letra por letra, então, separadas, cada uma reconstrói a parceira — uma escada vira duas escadas idênticas, uma para cada célula-filha;
- os alelos: as versões de um gene são pequenas diferenças de grafia na sequência — mesmo endereço, letras mudadas;
- a mutação: a cópia é quase perfeita, e não perfeita — uma letra copiada errado, coisa rara, cria um alelo novo. Na maioria das vezes neutra, às vezes prejudicial, de vez em quando útil: a mutação é de onde vêm as grafias novas e, no fim das contas, todos os alelos — a novidade bruta de que o Capítulo 68 vai precisar;
- a leitura: uma célula usa um gene lendo a sequência dele e construindo a molécula de trabalho correspondente — e cada tipo de célula lê a própria seleção da biblioteca: o enigma do Exercício 64.12, resolvido como prometido.
Demonstração. Admitido neste nível. ∎
Observação 65.7 (Um código só, a vida inteira)
O fato mais profundo vem por último: todo ser vivo escreve os genes dele nas mesmas letras do DNA e os lê pelo mesmo código — o carvalho, a levedura, a baleia, os micróbios do Capítulo 43, você. Esta é a unidade da vida (Proposição 29.2) na base dela, e a prova mais forte que a árvore de parentesco (Observação 44.8) já teve: uma língua compartilhada defende uma origem compartilhada. É também por isso que a engenharia genética funciona — um gene mudado de espécie continua legível, como uma frase fotocopiada para dentro de outro livro.
Método 65.8 (A leitura em três níveis)
Qualquer pergunta de hereditariedade já pode ser lida em três níveis — treine a troca de nível:
- o nível da família: quem mostra, quem carrega, quem transmite (Capítulo 63);
- o nível dos cromossomos: que fios, reduzidos à metade e restaurados, carregam a distribuição (Capítulo 64);
- o nível da molécula: que gene, que alelos, que grafia — e, para uma característica nova, que mutação.
Uma história só, três aumentos; uma resposta está completa quando funciona nos três.
65.3 Exercícios
Exercício 65.1 ★
Defina gene e alelo, com o exemplo do grupo sanguíneo.
Solução
Solução de Exercício 65.1.
Um gene é um trecho de um cromossomo que carrega as instruções de uma característica, num endereço fixo; os alelos são as versões dele — o A, o B e o O do gene do grupo sanguíneo.
Exercício 65.2 ★
Por que todo gene vem em duas cópias, e onde elas ficam?
Solução
Solução de Exercício 65.2.
Porque os cromossomos vêm em pares: uma cópia de cada gene viaja em cada parceiro — uma da mãe, outra do pai, no mesmo endereço.
Exercício 65.3 ★
O que é fisicamente a informação do DNA? Quantas letras, e de quantos tipos, num baralho humano?
Solução
Solução de Exercício 65.3.
A ordem das letras químicas ao longo da fita. Quatro tipos de letra, cerca de três bilhões delas num baralho humano.
Exercício 65.4 ★
Como a fita dupla torna possível a cópia fiel?
Solução
Solução de Exercício 65.4.
As fitas são complementares letra por letra: separadas, cada uma reconstrói a parceira, e uma escada vira duas escadas idênticas — uma cópia completa por célula-filha.
Exercício 65.5 ★
O que é uma mutação, e quais são os três tipos possíveis dela?
Solução
Solução de Exercício 65.5.
Um erro de cópia raro — letras mudadas criando um alelo novo. Na maioria das vezes neutro, às vezes prejudicial, de vez em quando útil.
Exercício 65.6 ★
Enuncie o fato da Observação 65.7 e as duas consequências dele.
Solução
Solução de Exercício 65.6.
Todos os seres vivos escrevem e leem os genes deles nas mesmas letras e no mesmo código do DNA. Consequências: a prova mais forte de uma origem comum — e o fato de funcionar mudar genes de uma espécie para outra, já que a língua combina em toda parte.
Exercício 65.7 ★★
Mecanize o filho de olhos azuis de pais de olhos castanhos: cópias, distribuições e a chance de uma em quatro.
Solução
Solução de Exercício 65.7.
Cada um dos pais carrega castanho com azul — o castanho expresso, o azul silencioso. Cada um distribui o azul com uma chance em duas; as distribuições são independentes, então azul com azul cai com uma chance em quatro — o filho de olhos azuis.
Exercício 65.8 ★★
Trabalhe o Exemplo 65.3: liste os pares de alelos por trás de cada um dos quatro grupos.
Solução
Solução de Exercício 65.8.
Grupo A: A com A, ou A com O. Grupo B: B com B, ou B com O. Grupo AB: A com B — os dois expressos. Grupo O: O com O.
Exercício 65.9 ★★
Resolva o Exercício 64.12 nos termos deste capítulo: o que um neurônio lê que uma célula da pele não lê?
Solução
Solução de Exercício 65.9.
Os dois têm a biblioteca inteira — os mesmos 46 fios. O neurônio lê os genes da maquinaria dos nervos e deixa fechados os capítulos da queratina da pele; a célula da pele faz o contrário. A especialização é uma política de empréstimo, e não uma biblioteca diferente.
Exercício 65.10 ★★
Descreva a extração de cozinha e o que cada ingrediente de cozinha faz nela.
Solução
Solução de Exercício 65.10.
Amasse a fruta (as células abertas); água salgada e detergente (as membranas — os envelopes da célula e do núcleo — dissolvidas, o DNA solto e mantido dissolvido); coe (os restos fora); álcool gelado por cima (o DNA sai da solução no limite entre os dois): fios esbranquiçados que dá para enrolar — a própria molécula.
Exercício 65.11 ★★
Faça os três níveis do Método 65.8 no queixo da capela do Problema 63.1.
Solução
Solução de Exercício 65.11.
Nível da família: o queixo reaparece ao longo das linhas da reprodução, carregado sem aparecer por uma geração. Nível dos cromossomos: o determinante dele viaja num fio, reduzido à metade nos gametas e restaurado na fecundação, distribuído a alguns filhos e a outros não. Nível da molécula: ele é um alelo — uma grafia de algum gene que dá forma ao rosto — copiado com fidelidade pelo século afora desde a mutação que o escreveu pela primeira vez.
Exercício 65.12 ★★★
“A mutação escreve, o embaralhamento distribui, a expressão mostra.” Atribua a cada verbo o mecanismo e o capítulo dele — e diga qual dos três cria grafias genuinamente novas.
Solução
Solução de Exercício 65.12.
A mutação escreve: os erros de cópia criam grafias novas — nível da molécula, este capítulo. O embaralhamento distribui: a redução à metade e a fecundação entregam a cada filho uma combinação nova — nível dos cromossomos, Capítulo 64 (e Proposição 54.5). A expressão mostra: das duas cópias distribuídas, o que é exibido e o que viaja em silêncio — a regra das duas cópias deste capítulo. Só a mutação cria grafias genuinamente novas; as outras duas recombinam e revelam o que a mutação escreveu um dia.
65.4 Problema: A fotocopiadora quebrada
Problema 65.1
Problema de fim de semana — um gene seguido da grafia até a árvore genealógica
Acompanhe um caso (inventado, mas típico): um gene de pigmento cujo alelo funcional, P, constrói um pigmento de pele e de cabelo; muito tempo atrás, um erro de cópia criou o alelo quebrado p — escrito errado de um jeito ilegível, sem construir nada. Quem carrega P com p tem aparência comum; um filho que recebe p e p não constrói pigmento nenhum — cabelo e pele muito claros, olhos frágeis ao sol (a condição existe em muitas espécies).
Parte I — O nível da molécula.
- Nomeie a origem de p, pela Proposição 65.6 — o que aconteceu fisicamente, uma vez, na linhagem de gametas de algum antepassado?
- Por que P com p tem aparência comum? Que expressão do vocabulário descreve a viagem de p?
- Por que p com p muda a construção? O que está faltando, e de que tipo de maquinaria, vinda de que capítulo (Definição 65.1)?
- A condição aparece em muitas espécies. O que a Observação 65.7 prevê sobre a grafia dos genes de pigmento delas?
Parte II — Os níveis dos cromossomos e da família.
- Dois pais portadores (P com p cada um): liste as quatro distribuições igualmente prováveis de um filho, e a chance da construção p com p.
- A filha p com p deles nasce de dois pais de aparência comum. Que mistério do álbum (Exemplo 63.5) acabou de rodar com o mecanismo inteiro?
- Os filhos que a própria filha tiver com um parceiro P com P: o que todos eles carregam, e o que nenhum deles mostra?
- Trace os veículos do alelo numa transmissão: a viagem de p da avó ao neto, fio a fio e gameta a gameta.
Parte III — A redação em três níveis.
- Escreva o caso nos três níveis do Método 65.8, uma frase para cada um.
- Um colega pergunta por que a grafia quebrada não foi simplesmente “consertada e eliminada” há muito tempo. Responda com a aparência comum de quem carrega — de que julgamento sobre os efeitos dele p se esconde?
- A proteção contra o sol importa mais para a filha do que para os pais portadores. Ligue característica, par de alelos e ambiente numa frase só (o tecido da Proposição 63.4).
- Encerre com a imagem da fotocopiadora tornada exata: o que copia, o que foi copiado errado uma vez, e por que o erro agora é copiado com fidelidade.
Solução
Solução de Problema 65.1.
1. Uma mutação: um erro de cópia no gene do pigmento, uma vez, na linhagem de gametas de algum antepassado — letras mudadas, as instruções estragadas, e a grafia errada copiada com fidelidade desde então.
2. Porque as instruções funcionais de P constroem o pigmento seja qual for o parceiro silencioso: p viaja carregado sem aparecer — a expressão do álbum, agora molecular.
3. Com p nos dois parceiros, não existem instruções funcionais em nenhum dos dois endereços: a maquinaria do pigmento — o produto do gene — simplesmente nunca é construída. A característica é a ausência de uma grafia funcional.
4. Que os genes de pigmento delas são reconhecivelmente o mesmo gene — sequências parecidas no mesmo código — cópias aparentadas de um texto ancestral, quebradas de forma independente na história de cada espécie.
5. As quatro distribuições: P com P, P com p, p com P, p com p — igualmente prováveis. A construção sem pigmento: uma chance em quatro.
6. O pulo de geração: dois portadores que exibiam pigmento transmitiram o que não mostravam, e as grafias escondidas se encontraram — o Exemplo 63.5 rodado com o mecanismo inteiro.
7. Todos carregam um p — a contribuição inteira da mãe deles naquele endereço é p. Nenhum mostra a condição: o P do parceiro constrói o pigmento em todos eles.
8. O p da avó viajava num cromossomo de um par; a redução à metade do gameta dela distribuiu aquele parceiro para o óvulo ou o espermatozoide que fez o pai ou a mãe portador; a redução à metade desse pai ou dessa mãe o distribuiu de novo para o gameta que fez o neto — fio, gameta e zigoto, duas vezes seguidas.
9. Família: dois pais de aparência comum, um filho de uma chance em quatro, o carregar provado pelo nascimento. Cromossomos: os parceiros de um par carregando P e p, reduzidos à metade e recombinados. Molécula: um gene, um alelo funcional e um alelo escrito errado, com a diferença de grafia decidindo tudo.
10. De todo julgamento: em quem carrega, o defeito de p é invisível — o P do parceiro o cobre, então nada na construção de quem carrega “denuncia” a grafia errada. O que não dá para ver não dá para consertar e eliminar; as grafias escondidas persistem indefinidamente.
11. A característica dela (nenhum pigmento) é herdada — p com p — mas a consequência dela é vivida num ambiente cheio de sol: o pigmento que falta era o protetor solar do corpo, então o ambiente escreve mais nela do que nos pais protegidos — a herança fixando a faixa, e o mundo preenchendo-a.
12. O que copia: a fita dupla, com cada metade reconstruindo a parceira a cada divisão celular e a cada geração. O que foi copiado errado uma vez: algumas letras do gene do pigmento, num gameta antigo. Por que o erro persiste: a fotocopiadora é fiel — ela copia o que estiver ali, e copia as grafias erradas com a mesma fidelidade do sentido.