Biologia do ensino médio · Grades 10–12
15As enzimas e o fenótipo
Um gato siamês é cor de creme na maior parte do corpo e marrom-escuro nas orelhas, no focinho, nas patas e na cauda — as partes frias. Raspe um pedaço do dorso dele, mantenha esse pedaço frio sob uma bolsa de gelo enquanto a pelagem volta a crescer, e a pelagem nova nasce escura. Os genes do gato não mudaram; a enzima dele que fabrica pigmento simplesmente funciona abaixo de e não acima. Entre um gene e uma característica visível está, quase sempre, uma enzima; e entre a enzima e a característica está o ambiente em que ela trabalha. Este capítulo trata desses dois intermediários.
15.1 O fenótipo em três escalas
Definição 15.1 (Genótipo e fenótipo)
O genótipo de um indivíduo é o conjunto de alelos que ele carrega; o fenótipo dele é o conjunto das características observáveis dele. O fenótipo pode ser descrito em três escalas:
- a escala molecular: que proteínas estão presentes, em que forma, com que atividade;
- a escala celular: a forma, o conteúdo e o comportamento das células;
- a escala do organismo: as características visíveis, da cor dos olhos aos sintomas de uma doença.
Cada escala é consequência da que está abaixo dela.
Exemplo 15.2 (A anemia falciforme em três escalas)
Molecular: um aminoácido da cadeia da hemoglobina (o glutamato, o sexto) é substituído por valina; as moléculas alteradas se grudam umas às outras em fibras longas quando o oxigênio está baixo. Celular: as fibras deformam a hemácia num crescente rígido que entope vasos pequenos e se rompe com facilidade. Do organismo: anemia, crises de dor quando os vasos entopem, danos ao baço e aos rins. Uma substituição num códon de um gene, e três descrições da consequência dela.
Proposição 15.3 (As proteínas fazem o fenótipo)
Todo nível do fenótipo é produzido por proteínas: um alelo determina uma proteína (Capítulo 14); a atividade da proteína determina a química e a estrutura da célula; as células determinam as características do organismo. A maior parte dessas proteínas são enzimas, e a maior parte das características é, portanto, o resultado de cadeias de reações conduzidas por enzimas.
Demonstração. Admitido neste nível. ∎
15.2 As enzimas
Definição 15.4 (Enzima, substrato, sítio ativo)
Uma enzima é uma proteína que catalisa uma reação química: ela faz a reação correr milhões de vezes mais depressa sem ser consumida. A molécula que ela transforma é o substrato dela; a reação acontece num bolso da enzima, o sítio ativo, cuja forma e cuja química se ajustam àquele substrato e a nenhum outro. Essa especificidade decorre do dobramento tridimensional da enzima, logo da sequência de aminoácidos dela, logo do gene dela.
Exemplo 15.5 (A lactase)
O açúcar do leite, a lactose, é quebrado em dois açúcares simples pela enzima lactase no revestimento do intestino delgado; sem a quebra ele passa sem ser digerido ao intestino grosso, onde bactérias o fermentam, com gases, cólicas e diarreia como resultado. Todos os bebês fabricam lactase; na maior parte da humanidade o gene dela é desligado depois do desmame, e os adultos são intolerantes à lactose. Em populações com uma longa história de criação de gado leiteiro, é comum um alelo que mantém o gene ativo a vida inteira — 90% no norte da Europa, 10% no leste da Ásia. As gotas de lactase vendidas aos intolerantes contêm a mesma enzima, fabricada por fungos.
Proposição 15.6 (Condições de atividade)
A atividade de uma enzima depende do meio em que ela está. Ela sobe com a temperatura até a proteína começar a se desdobrar, e então desaba — as enzimas humanas funcionam melhor perto de e são destruídas acima de cerca de ; cada enzima trabalha numa faixa de acidez adequada ao lugar dela (a pepsina no ácido do estômago, a tripsina no intestino neutro); e a velocidade dela sobe com a concentração do substrato até um máximo, quando todo sítio ativo está ocupado.
Demonstração. Admitido neste nível. ∎
15.3 Cadeias de reações
Proposição 15.7 (Vias metabólicas)
Uma célula raramente fabrica um produto numa etapa só: uma molécula de partida é transformada por uma sucessão de enzimas, cada uma agindo sobre o produto da anterior, ao longo de uma via metabólica. Cada enzima é codificada pelo gene própria dela. Um alelo que não funciona em qualquer uma delas bloqueia a via naquela etapa: o produto não é fabricado, e o substrato da enzima bloqueada pode se acumular. Dois genes diferentes podem assim produzir o mesmo defeito visível, e o defeito de um gene pode produzir vários.
Demonstração. Admitido neste nível. ∎
Exemplo 15.8 (A fenilcetonúria, e como uma dieta muda um fenótipo)
Cerca de um recém-nascido em dez mil carrega dois alelos que não funcionam do gene da enzima 1. A fenilalanina do alimento não é convertida; a concentração dela no sangue sobe vinte vezes e ela envenena o cérebro em desenvolvimento. Sem tratamento, a criança sofre deficiência intelectual grave. Detectada ao nascer por uma gota de sangue num cartão — todo recém-nascido é testado — e alimentada com uma dieta quase isenta de fenilalanina, a mesma criança se desenvolve normalmente. O genótipo não mudou; o fenótipo, em todas as escalas acima da molecular, é o de uma pessoa saudável. O ambiente, aqui a dieta, decidiu.
15.4 Genótipo, ambiente, fenótipo
Proposição 15.9 (O ambiente molda o fenótipo)
O fenótipo é o resultado do genótipo e do ambiente. O ambiente age na escala molecular (a temperatura e a acidez fixando a atividade da enzima, a presença de um substrato decidindo se uma via funciona), na escala celular (células respondendo a sinais, a nutrientes, à luz) e na escala do organismo (dieta, exercício, doença). Indivíduos de genótipo idêntico — gêmeos idênticos, estacas de uma mesma planta — diferem em fenótipo conforme a história de cada um; e indivíduos de genótipos diferentes podem convergir para o mesmo fenótipo em condições adequadas.
Evidências. A tirosinase sensível à temperatura do gato siamês: o pigmento só se forma nas extremidades frias, e um pedaço raspado e resfriado volta a crescer escuro. A fenilcetonúria controlada pela dieta. Gêmeos idênticos criados separados que diferem em altura por vários centímetros e em massa corporal por mais ainda. Uma planta do mesmo clone cultivada ao nível do mar e em altitude que difere em altura por um fator dez, e que volta ao normal quando transplantada. Em cada caso o genótipo é fixo e o fenótipo se move com as condições. ∎
Método 15.10 (Raciocinar do gene à característica)
- Identifique a proteína: que enzima, em que via, e o que ela faz.
- Identifique o efeito do alelo sobre a proteína: normal, reduzida, ausente, alterada nas condições de atividade dela.
- Acompanhe a consequência subindo as escalas: o que falta ou o que se acumula na célula, e depois o que o organismo mostra.
- Pergunte quantos alelos funcionais são necessários: para a maioria das enzimas um basta, de modo que o defeito só aparece com dois alelos que não funcionam (uma característica recessiva).
- Pergunte o que o ambiente acrescenta: substrato presente ou não, temperatura, um tratamento.
Observação 15.11 (Por que um alelo funcional em geral basta)
As enzimas são catalisadores: uma pequena quantidade processa uma grande quantidade de substrato. Metade da tirosinase normal ainda fabrica melanina suficiente, metade da lactase normal ainda digere um copo de leite. Um portador de um alelo que não funciona é, portanto, em geral indistinguível de quem não o carrega — o “recessivo” do volume do primário, agora explicado — e a característica só aparece quando os dois alelos falham. As proteínas que não são enzimas, necessárias em quantidade ou em forma exata, costumam ser a exceção: metade da hemoglobina normal faz diferença.
15.5 Exercícios
Exercício 15.1 ★
Defina genótipo e fenótipo, e cite as três escalas do fenótipo.
Exercício 15.2 ★
O que é o sítio ativo de uma enzima, e o que quer dizer “especificidade”?
Solução
Solução de Exercício 15.2.
O bolso da enzima em que o substrato se liga e é transformado. A especificidade: o sítio se ajusta a um substrato (ou a uma família de substratos) e catalisa uma reação.
Exercício 15.3 ★
A partir da curva da temperatura, em que temperatura a enzima é mais ativa, e que fração dessa atividade resta a ?
Solução
Solução de Exercício 15.3.
Perto de ; a resta cerca de um terço.
Exercício 15.4 ★
Descreva o albinismo nas três escalas do fenótipo.
Solução
Solução de Exercício 15.4.
Molecular: tirosinase ausente ou inativa, nenhuma melanina fabricada. Celular: células do pigmento presentes, mas vazias de melanina. Do organismo: cabelos brancos, pele e olhos muito claros, sensibilidade à luz e às queimaduras de sol.
Exercício 15.5 ★
Por que a pepsina é inativa no intestino?
Solução
Solução de Exercício 15.5.
O dobramento da pepsina só funciona em ácido forte (pH 2); o intestino é neutro a levemente alcalino, onde a curva mostra atividade zero.
Exercício 15.6 ★★
Explique, com a noção de catálise, por que uma pessoa que carrega um alelo funcional e um não funcional do gene da tirosinase é normalmente pigmentada.
Solução
Solução de Exercício 15.6.
Um alelo funcional produz metade da enzima normal, mas uma molécula de enzima trabalha milhares de vezes por segundo: metade da quantidade ainda converte tirosina suficiente para fabricar pigmento normal. O fenótipo está saturado; só dois alelos que falham aparecem.
Exercício 15.7 ★★
Dois pais albinos de famílias diferentes têm uma criança normalmente pigmentada. Usando a figura da via, proponha uma explicação.
Solução
Solução de Exercício 15.7.
O albinismo deles vem de bloqueios em dois genes diferentes (duas enzimas diferentes da via, ou do transporte da melanina). A criança herda um alelo funcional de cada gene do genitor cujo bloqueio está no outro, de modo que as duas enzimas funcionam e o pigmento é fabricado.
Exercício 15.8 ★★
Uma criança com fenilcetonúria é alimentada normalmente. Que molécula se acumula e qual está faltando? Explique por que essas crianças costumam ser também pouco pigmentadas.
Solução
Solução de Exercício 15.8.
A fenilalanina se acumula; a tirosina (e o que deriva dela) está faltando. Como a melanina é fabricada a partir da tirosina, a falta dela reduz o pigmento: cabelos e pele claros são comuns na fenilcetonúria não tratada.
Exercício 15.9 ★★
A intolerância à lactose no adulto é a condição humana ancestral, e a persistência da lactase é uma mutação. Explique em que sentido o fenótipo mutante é “mais saudável”, e por que só em alguns ambientes.
Exercício 15.10 ★★
Uma mutação substitui um aminoácido do sítio ativo de uma enzima por outro de forma muito diferente. Preveja a consequência nas três escalas para uma via à sua escolha.
Solução
Solução de Exercício 15.10.
Para a tirosinase: molecular, o substrato não encaixa mais, nenhuma melanina; celular, células do pigmento vazias; do organismo, albinismo. Para a lactase: lactose não digerida; células do intestino privadas do açúcar e o intestino grosso fermentando-o; intolerância.
Exercício 15.11 ★★
Um filhote de siamês é criado numa casa muito quente. Preveja a pelagem dele e explique. O que acontece se ele passar depois a viver ao ar livre no inverno?
Exercício 15.12 ★★★
A hemoglobina falciforme causa doença nos portadores de duas cópias, mas os portadores de uma só apresentam falcização com oxigênio muito baixo (grande altitude, mergulho profundo). Discuta o fenótipo de um portador nas três escalas e o papel do ambiente.
Solução
Solução de Exercício 15.12.
Molecular: metade da hemoglobina é a forma falciforme. Celular: com oxigênio normal as células continuam redondas; com oxigênio muito baixo algumas falcizam. Do organismo: saudável na vida comum, em risco em altitude ou no mergulho — e protegido contra a malária. O ambiente (o oxigênio, a malária) decide se o fenótipo do portador é um fardo ou uma vantagem.
Exercício 15.13 ★★★
Uma febre de faz um paciente se sentir mal, mas não é diretamente perigosa; é. Explique com a curva da temperatura.
Solução
Solução de Exercício 15.13.
A as enzimas ainda conservam a maior parte da atividade delas (a curva está perto do topo); a a atividade cai a pique à medida que as proteínas começam a se desdobrar e, se o desdobramento avança, ele é irreversível: as enzimas são destruídas, e não apenas desaceleradas.
Exercício 15.14 ★★★
Gêmeos idênticos têm o mesmo genótipo. Um vira maratonista, o outro sedentário. Liste três diferenças fenotípicas na escala celular ou molecular que você espera entre eles, e diga o que cada uma diz sobre as características “genéticas”.
Solução
Solução de Exercício 15.14.
Mais mitocôndrias e mais capilares por fibra muscular; um coração maior com volume sistólico maior; mais hemoglobina por litro de sangue; reservas maiores de glicogênio. Cada uma é um fenótipo produzido pelo mesmo genótipo num ambiente diferente: as características “genéticas” são a faixa que o genótipo permite, e não um valor fixo.
Exercício 15.15 ★★★
“Como o fenótipo depende do ambiente, o genótipo não importa muito.” Discuta com a fenilcetonúria, o albinismo e o gato siamês: em cada caso, o que o genótipo fixa e o que o ambiente pode e não pode mudar.
Solução
Solução de Exercício 15.15.
O genótipo fixa que enzima é fabricada e como ela se comporta: nenhuma enzima 1 (fenilcetonúria), nenhuma tirosinase (albinismo), uma tirosinase sensível ao calor (siamês). O ambiente só consegue mudar o resultado dentro do que a enzima permite: uma dieta retira o substrato e salva o cérebro, mas não fabrica a enzima que falta; o frio faz a enzima siamesa trabalhar, mas nenhuma temperatura faz a do albino trabalhar; e nada no ambiente dá pigmento ao albino. O genótipo fixa a faixa; o ambiente escolhe dentro dela.
15.6 Problema: o gato de orelhas frias
Problema 15.1
Problema de fim de semana — a pelagem de um gato siamês explicada enzima por enzima: a tirosinase sensível à temperatura, o mapa das temperaturas do corpo, o pedaço raspado, e uma dieta que reescreve um fenótipo
O alelo siamês do gene da tirosinase codifica uma enzima cuja atividade, medida no laboratório, é: a , a , a , a , a . A enzima do alelo comum mantém até . Temperaturas da pele de um gato: tronco , pernas , patas , orelhas e focinho . A melanina é visível na pelagem quando a enzima trabalha a mais de cerca de .
Parte I — O mapa.
- Para cada região do corpo, leia a atividade da enzima siamesa e diga se a pelagem é pigmentada.
- Desenhe, ou descreva, a pelagem resultante. Ela corresponde a um siamês?
- Faça o mesmo para um gato com o alelo comum.
- Um filhote de siamês nasce inteiramente cor de creme. Explique, sabendo que o útero está a .
- Em que temperatura da pele fica a fronteira entre a pelagem escura e a clara? Que parte da curva da enzima a fixa?
Parte II — O experimento.
- Um pedaço do tronco é raspado e mantido a sob uma bolsa fria enquanto a pelagem volta a crescer. Preveja a cor dele.
- Um pedaço de uma pata é raspado e mantido quente a com uma bandagem. Preveja.
- Depois de as bolsas serem retiradas, a pelagem que cresceu conserva a cor por meses, e depois é substituída aos poucos. Explique os dois fatos.
- Explique por que esses experimentos mostram que o ambiente age na escala molecular, e não sobre o genótipo.
- Um aluno propõe que as extremidades escuras se devem a um alelo diferente naquelas células. Dê dois argumentos contra.
Parte III — As três escalas.
- Descreva o fenótipo siamês nas escalas molecular, celular e do organismo.
- O alelo siamês difere do comum por uma única substituição que troca um aminoácido. Explique como um aminoácido pode tornar uma enzima sensível à temperatura.
- Um gato que carrega um alelo siamês e um alelo comum é plenamente pigmentado. Explique com a Observação 15.11.
- Um gato albino tem dois alelos do mesmo gene que não codificam enzima funcional em temperatura nenhuma. Compare o fenótipo dele com o do siamês nas três escalas.
- Coelhos himalaios e certos camundongos apresentam o mesmo padrão. O que isso sugere sobre o gene da tirosinase deles, e o que você esperaria da mutação?
Parte IV — Uma dieta que reescreve um fenótipo. Descobre-se que um recém-nascido tem fenilcetonúria: fenilalanina no sangue em vez de . O nível seguro para o desenvolvimento do cérebro é abaixo de .
- Por que fator a fenilalanina está elevada, e que enzima da figura da via está faltando?
- Explique por que o cérebro da criança, e não, digamos, a pele dela, é o órgão em risco.
- A dieta reduz a ingestão de fenilalanina a um quinto do normal; o nível no sangue cai na mesma proporção. A criança está segura? O que isso diz sobre a relação entre o fornecimento de substrato e o fenótipo quando a enzima está ausente?
- Alguma fenilalanina é, apesar de tudo, indispensável, já que o corpo não consegue fabricá-la. Explique por que a dieta precisa ser controlada, e não simplesmente eliminar a fenilalanina.
- Enuncie o resultado: para o gato siamês e para a criança, o que o genótipo fixou, o que o ambiente determinou, e a frase única que relaciona genótipo, ambiente e fenótipo.
Solução
Solução de Problema 15.1.
1. Tronco : cerca de 2%, claro. Pernas : cerca de 20%, claro. Patas : 80%, escuro. Orelhas e focinho : mais de 90%, escuro.
2. Corpo e pernas claros, patas, orelhas e focinho (e cauda) escuros: o padrão siamês.
3. 100% em toda parte: um gato uniformemente pigmentado.
4. No útero toda parte do filhote está a , a enzima fica inativa em toda parte, e nenhum pigmento é depositado antes do nascimento; as pontas escurecem à medida que as extremidades esfriam depois do nascimento.
5. Por volta de , onde a atividade cruza os 30%: a parte descendente e íngreme da curva entre 33 e fixa a fronteira.
6. Escura: a a enzima está plenamente ativa nos pelos em crescimento.
7. Clara: a a enzima está inativa.
8. O pigmento é depositado no pelo enquanto ele cresce e não pode ser retirado nem acrescentado depois; a cor só muda quando os pelos caem e são substituídos por outros, crescidos na temperatura local.
9. O genótipo das células do pedaço é o mesmo antes e depois, e é o mesmo do resto do tronco; só a temperatura da enzima mudou, e com ela o pigmento. A ação é sobre a atividade da enzima, um evento molecular.
10. Todas as células do gato descendem de um óvulo e carregam os mesmos alelos; e os experimentos do pedaço raspado mudam a cor de uma região sem mudar as células dela — um alelo não pode ser trocado por uma bolsa de gelo.
11. Molecular: uma tirosinase que só funciona abaixo de cerca de . Celular: células do pigmento cheias de melanina nas extremidades, vazias no tronco. Do organismo: um gato claro com as pontas escuras.
12. O aminoácido fica onde estabiliza o dobramento; a troca mantém o dobramento firme em temperatura baixa, mas o deixa afrouxar alguns graus acima, de modo que o sítio ativo perde a forma antes de a enzima comum perder a dela.
13. A enzima do alelo comum é plenamente ativa na temperatura do corpo; metade da quantidade normal ainda é mais que suficiente para fabricar pigmento em toda parte. O alelo siamês é recessivo em relação a ele.
14. Molecular: nenhuma enzima funcional em temperatura nenhuma, contra uma que funciona condicionalmente. Celular: nenhuma melanina em parte alguma, contra melanina nas regiões frias. Do organismo: um gato todo branco com olhos rosados, contra o padrão de pontas escuras. O frio não muda nada para o albino.
15. Que eles carregam um alelo sensível à temperatura do mesmo gene; provavelmente uma substituição parecida que desestabiliza a enzima, surgida de modo independente em cada espécie.
16. Vinte vezes; a enzima 1, que converte a fenilalanina em tirosina.
17. O excesso de fenilalanina interfere especificamente nas células do cérebro em desenvolvimento (no suprimento de outros aminoácidos delas e na maturação delas); as células da pele o toleram. O defeito molecular é o mesmo em toda parte; a consequência celular não é.
18. Um quinto de são , abaixo de : segura. Sem a enzima, o nível no sangue apenas acompanha a ingestão, de modo que o fenótipo fica determinado pelo fornecimento de substrato — o ambiente — e não pela enzima ausente sozinha.
19. A fenilalanina é necessária para construir as proteínas do corpo e não pode ser sintetizada; sem nada dela, o crescimento para. A ingestão precisa bastar para a síntese de proteínas e nada mais, o que exige medir e ajustar.
20. O genótipo fixou a enzima (sensível ao calor no gato, ausente na criança); o ambiente determinou as condições dela (a temperatura da pele; a fenilalanina da dieta); o fenótipo é o resultado do genótipo expresso num dado ambiente.