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Genética Geral e das Populações Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia Universidade Pedagógica Departamento de Biologia Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP i André Machava Manhiça Direitos de autor (copyright) Este módulo não pode ser reproduzido para fins comerciais. Caso haja necessidade de reprodução, deverá ser mantida a referência à Universidade Pedagógica e aos seus Autores. Universidade Pedagógica Rua Comandante Augusto Cardoso, nº 135 Telefone: 21-320860/2 Telefone: 21 – 306720 Fax: +258 21-322113 ii Índice Agradecimentos À COMMONWEALTH of LEARNING (COL) pela disponibilização do Template usado na produção dos Módulos. Ao Magnífico Reitor, Directores de Faculdade e Chefes de Departamento pelo apoio prestado em todo o processo. Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP iii André Machava Manhiça Ficha Técnica Autor: André Machava Manhiça Revisão da engenharia de EAD: Cristina Ribeiro Loforte Revisão do desenho instrucional: Cristina Ribeiro Loforte Revisão Linguística: Alice Sengo Maquetização: Aurélio Armando Pires Ribeiro Edição : Aurélio Armando Pires Ribeiro Centro de Educação Aberta e à Distância Universidade Pedagógica Moçambique 2013 2016 (2ª Edição) iv Índice Índice Visão geral 1 Benvindo(a) ao módulo de Genética Geral e das Populações ............................... 1 Objectivos do módulo .................................................................................................... 2 Quem deveria estudar este módulo ............................................................................ 2 Como está estruturado este módulo ........................................................................... 3 Ícones de actividade ...................................................................................................... 5 Acerca dos ícones ....................................................................................... 5 Habilidades de estudo ................................................................................................... 6 Precisa de apoio? .......................................................................................................... 6 Exercícios e Auto-Avaliação ......................................................................................... 6 Avaliação ......................................................................................................................... 7 Unidade I 9 Introdução á Genética ................................................................................................... 9 Introdução .............................................................................................................. 9 Lição no 1 10 Origem e desenvolvimento da Genética .................................................................. 10 Introdução ............................................................................................................ 10 Resumo .......................................................................................................................... 16 Auto-avaliação .............................................................................................................. 17 Lição no 2 19 O papel da Genética e as suas divisões .................................................................. 19 Introdução ............................................................................................................ 19 Resumo .......................................................................................................................... 26 ........................................................................................................................................ 26 Auto-avaliação e Comentários ................................................................................... 27 Lição no 3 28 Conceitos básicos de Genética e variações de origem genética e ambiental ... 28 Introdução ............................................................................................................ 28 Actividade 1 ................................................................................................................... 31 Actividade 2 ................................................................................................................... 39 Resumo .......................................................................................................................... 41 Auto-avaliação .............................................................................................................. 42 Unidade II 43 Princípios Mendelianos ................................................................................................... 43 Introdução .............................................................................................................. 43 Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP v André Machava Manhiça Lição no 1 45 A vida e experiências deMendel ................................................................................ 45 Introdução ............................................................................................................ 45 Resumo .......................................................................................................................... 52 Auto-avaliação .............................................................................................................. 53 Lição 53 Lição no 53 Lição no2 54 Experiências de Monohibridismo: ............................................................................. 54 Os princípios de unidades factoriais de dominância e de segregação ............... 54 Introdução ............................................................................................................ 54 Resumo .......................................................................................................................... 61 Exercícios e Auto-avaliação ....................................................................................... 62 Exercícios e Auto-avaliação ....................................................................................... 65 Lição no 3 66 Experiência de Dihibridismo e as leis de Mendel ................................................... 66 Introdução ............................................................................................................ 66 Actividade 3 ................................................................................................................... 75 Actividade 4 ................................................................................................................... 77 Resumo .......................................................................................................................... 83 Exercícios e Auto-avaliação ....................................................................................... 85 Unidade III 87 Relações Alélicas ......................................................................................................... 87 Introdução ............................................................................................................ 87 Lição no 1 89 Dominância completa, Codominância e Semi-dominância ................................... 89 Introdução ............................................................................................................ 89 Resumo .......................................................................................................................... 95 Exercícios e Auto-avaliação .......................................................................................96 Exercícios e Auto-avaliação ....................................................................................... 97 Lição n°2 98 Polialelia e genes letais ............................................................................................... 98 Introdução ............................................................................................................ 98 vi Índice Actividade 5 ................................................................................................................... 99 Debate 1 ...................................................................................................................... 102 Resumo ........................................................................................................................ 105 Actividade 6 ................................................................................................................. 106 Exercícios e Auto-avaliação ..................................................................................... 107 Exercícios e Auto-avaliação ..................................................................................... 108 Unidade IV 109 Relações não alélicas ou interação génica ........................................................... 109 Introdução .......................................................................................................... 109 Lição no 1 112 Genes complementares ou complementaridade génica ..................................... 112 Introdução .......................................................................................................... 112 Resumo ........................................................................................................................ 117 Auto-avaliação ............................................................................................................ 118 Lição no 2 119 Genes supressores: Epistasia Dominante e Recessiva Pleiotropia e Interação génica ........................................................................................................................... 119 Introdução .......................................................................................................... 119 Actividade 7 ................................................................................................................. 124 Actividade 8 ................................................................................................................. 125 Actividade 9 ................................................................................................................. 125 Resumo ........................................................................................................................ 127 Exercícios .................................................................................................................... 128 Lição no 3 129 Herança quantitativa ou Poligenia aditiva .............................................................. 129 Introdução .......................................................................................................... 129 Exercícios .................................................................................................................... 131 Resumo ........................................................................................................................ 139 Auto-avaliação ............................................................................................................ 141 Exercícios .................................................................................................................... 142 Unidade V 143 Herança Autossómica ............................................................................................... 143 Introdução .......................................................................................................... 143 Lição no 1 145 Herança autossómica ................................................................................................ 145 Introdução .......................................................................................................... 145 Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP vii André Machava Manhiça Actividade 10 .............................................................................................................. 149 Actividade 11 .............................................................................................................. 152 Resumo ........................................................................................................................ 155 Auto-avaliação ............................................................................................................ 156 Unidade VI 157 Herança ligada ao sexo ............................................................................................ 157 Introdução .......................................................................................................... 157 Lição no 1 161 A base cromossómica da hereditariedade ............................................................. 161 Introdução .......................................................................................................... 161 Resumo ........................................................................................................................ 167 Lição no 2 169 Determinação cromossómica do sexo.................................................................... 169 Introdução .......................................................................................................... 169 Actividade 12 .............................................................................................................. 173 Resumo ........................................................................................................................ 177 Auto-avaliação ............................................................................................................ 178 Lição no 3 179 Determinação sexual em humanos e mecanismo de compensação de dose . 179 Introdução .......................................................................................................... 179 Actividade 13 .............................................................................................................. 184 Resumo ........................................................................................................................ 185 Auto-avaliação ............................................................................................................ 186 Lição no 4 187 Herança completamente ligada ao sexo e outras formas de herança no homem ..................................................................... 187 Introdução .......................................................................................................... 187 Actividade 14 .............................................................................................................. 190 Actividade 15 .............................................................................................................. 193 Resumo ........................................................................................................................ 197 Auto-avaliação ............................................................................................................ 199 Unidade VII 200 Genética das Populações ......................................................................................... 200 Introdução .......................................................................................................... 200 viii Índice Lição no 1 201 A Genética das Populações e o Equilíbrio Genético ........................................... 201 Introdução ..........................................................................................................201 Resumo ........................................................................................................................ 208 Auto-avaliação ............................................................................................................ 209 Lição no 2 211 Factores que modificam equilíbrio genético .......................................................... 211 Introdução .......................................................................................................... 211 Resumo ........................................................................................................................ 218 Auto-avaliação ............................................................................................................ 219 Bibliografia ................................................................................................................... 220 Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 1 André Machava Manhiça Visão geral Benvindo(a) ao módulo de Genética Geral e das Populações Apresentação do módulo Iniciando a caminhada Quantas vezes teve que iniciar uma caminhada na sua vida, aliás, a sua vida é feita de caminhadas, todas elas feitas com a certeza de chegar ao destino pretendido. Com o presente módulo, da disciplina de Genética Geral e das Populações, queremos ajudá- lo(a) a percorrer mais um caminho (do saber) e a chegar ao seu (e nosso) destino (aprender significativamente a Genética). Queremos dizer com o aprender significativamente, que você deverá descobrir a relevância do que está a aprender, de modo a que seja capaz de usar o aprendido em sua própria vida. Certamente estará a iniciar o estudo desta disciplina com uma mescla (mistura) de receio e incerteza de como vai encarar a disciplina. Para já nós achamos que não existem diciplinas difíceis nem fáceis; existem bons e maus estudantes. Você está, sem dúvida, entre os bons, precisando primeiro de acrediar em si e, depois, empenhar-se para que seja cada vez melhor. Uma das grandes lições que a Genética nos ensina é que “não existem individuos superiores ou inferiores; existem individuos diferentes, e quanto mais diferentes formos, melhor, porque cada um pode aprender do outro”. Neste módulo, vários são os assuntos que vai aprender, alguns dos quais já vistos na 10ª classe. Em algumas situações poderá, como é normal, encarar algumas dificuldades. Se for o caso, não 2· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP se apoquente, porque haverá sempre uma solução, mas, esta dependerá, em grande medida, da sua dedicação. No presente módulo, vários assuntos poderá aprender, porém, de nada valerá se não for capaz de utilizar esses conhecimentos para influenciar positivamente a sua vida e a da comunidade onde estiver inserido(a). Está pronto(a)? Então vamos iniciar a caminhada. Objectivos do módulo Espera-se que este módulo contribua para o desenvolvimento das seguintes competências: Objectivos o Respeitar as diferenças entre os seres humanos o Não descriminar os albinos ou outros indivíduos com anomalias genéticas e outros tipos de anomalias o Resolver os exercícios com destreza o Aplicar os conhecimentos de Genética na solução de problemas da sua comunidade Quem deveria estudar este módulo Este Módulo foi concebido para todos aqueles que tenham concluído a 12a classe de ESG, grupo de ciências ou equivalente e estejam inscritos no Curso de Biologia à distância, disponibilizado pela Universidade Pedagógica. Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 3 André Machava Manhiça Como está estruturado este módulo Este módulo de Genética Geral e das Populações é composto por duas partes distintas: a genética mendeliana e as suas extensões e a genética das populações. A Genética mendeliana e suas extensões tratam dos diferentes padrões de herança biológica encontrados em diferentes organismos e a genética das populações trata das variações genéticas existentes nas populações e o modo como essas variações ocorrem. O módulo compreende sete (7) unidades temáticas, a saber: Introdução á genética (Unidade 1); Princípios mendelianos (Unidade 2); Relações alélicas (Unidade 3); Relações não alélicas (Unidade 4); Herança autossómica (Unidade 5); Herança ligada ao sexo (Unidade 6) e Genética das populações (Unidade 7). Cada unidade inicia com uma nota introdutória na qual se indicam os objectivos e o número de lições. O quadro abaixo indica as lições que compõem cada unidade: Unidade Lições I.Introdução à Genética Origem e desenvolvimento da Genética O papel e as divisões da Genética Conceitos básicos de genética e variações de origem genética e ambiental II.Princípios Mendelianos A vida e experiências de Mendel Experiências de Monohibridismo: Os princípios de unidades factoriais, dominância e segregação Experiências de dihibridismo e leis de Mendel Cruzamento-teste e Retrocruzamento 4· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP III.Relações Alélicas Dominância completa, Co- dominância e Semi-dominância Polialelia e genes letais IV.Relações não Alélicas Genes Complementares: Genes recessivos duplos e genes duplos com efeito cumulativo Genes supressores: Epistasia dominante e recessiva Pleiotropia versus Interação génica Poligenia aditiva Herança Autossómica no Homem Albinismo Polidactilia e miopia VI. Herança Ligada ao sexo no homem Base cromossómica da Herança Determinação cromossómica do sexo Determinação cromossómica do sexo no homem e mecanismo da compensação de dose Herança ligada ao sexo no homem e outros padrões de herança VII. Genética das Populações Genética de Populações e Equilíbrio Genético Factores que afectam o equilíbrio genético Cada lição inicia, também, com a indicação dos objectivos e a estimativa do tempo que você precisará para estudar a lição. De modo a ajudá-lo(a) a consolidar a sua aprendizagem, cada lição temina com um resumo, exercícios (tanto para aplicar o que aprendeu como para se auto-avaliar). Nalgumas lições está prevista a utilização de jogos didácticos para auxiliar na compreensão dos conteúdos em causa. Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 5 André Machava Manhiça Ícones de actividade Ao longo deste módulo irá encontrar uma série de ícones nas margens das páginas. Estes ícones servem para identificar diferentes partes do processo de aprendizagem. Podem indicar uma parcela específica de texto, uma nova actividade ou tarefa, uma mudança de actividade, etc. Acerca dos ícones Pode ver o conjunto completo de ícones deste módulo já a seguir, cada um com uma descrição do seu significado e da forma como nós interpretámos esse significado para representar as várias actividades ao longo deste módulo. Comprometimento/ perseverança Actividade e Comentário Resistência, perseverança Exercícios Auto-avaliação e comentários “Qualidade do trabalho” (excelência/ autenticidade) Avaliação Teste “Aprender através da experiência” Exemplo Estudo de caso Paz/harmonia Debate Horas / programação Tempo Vigilância / preocupação Tome Nota! Atençâo “Eu mudo ou transformo a minha vida” Objectivos 6· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP “ [Ajuda-me] deixa- me ajudar-te” Leitura “Pronto a enfrentar as vicissitudes da vida” (força / preparação) Resumo “Nó da sabedoria” Terminologia Apoio / Encorajamento Dica Habilidades de estudo Este módulo foi concebido tendo-seem consideração que você vai estudar sozinho(a). Por isso, no fim de cada unidade/lição há exercicios e questões de auto-avaliação que o(a) ajudam a rever tudo o que nela aprendeu. Prepare um caderno ou um bloco de apontamentos para ir escrevendo o que achar importante e para ir respondendo por escrito a questões que poderão ser colocadas. Precisa de apoio? Se você tiver dificuldades, existe o Centro de Recursos à sua espera, perto do local da sua residência. Não hesite em recorrer a esse centro, pois ele foi criado para si. Lá encontrará literatura e outros materiais de consulta. Exercícios e Auto-Avaliação Ao longo de cada unidade deve resolver os exercícios, pois estes ajudar-lhe-ão a consolidar a matéria. Esses exercícios certas vezes servem não só para aplicar o que aprendeu mas também Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 7 André Machava Manhiça como proposta de auto-avaliação para que verifique a qualidade da sua aprendizagem. Recomendamos que resolva todos os exercícios indicados sem recorrer de imediato à chave de correção ou aos comentários que podem ser encontrados ao longo da ficha de exercícios. Os comentários e respostas fornecem-lhe a possibilidade de verificar se está a caminhar bem no seu processo de aprendizagem. Avaliação Neste módulo você vai realizar 2 testes: O primeiro teste terá lugar depois de completar a unidade 2 e o segundo no fim do estudo do módulo. Cada teste tem a duração de 90 minutos e o exame durará 120 minutos. O seu tutor marcará a data do teste, bem como a do exame 15 a 20 dias antes. Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 9 André Machava Manhiça Unidade I Introdução á Genética Introdução Nesta unidade fará uma introdução ao estudo da Genética. Com efeito, começará por revisitar os grandes acontecimentos que marcaram a origem e o desenvolvimento da Genética (lição 1). De seguida, irá debruçar-se sobre o papel da genética e as suas divisões (Lição 2), o que lhe ajudará a reconhecer a importância e relevância da Genética na sociedade. Seguidamente, tratar-se-á dos conceitos básicos de genética (na lição 3). Estes conceitos constituem uma ferramenta básica e fundamental para a compreensão dos mecanismos e processos genéticos, por isso, ao terminar o estudo da lição, deverá procurar assegurar-se de que estão muito bem percebidos. Finalmente, poderá desfazer-se (se for o caso) de uma das dúvidas mais comuns na aprendizagem da genética, ao aprender a diferenciar variações de origem genética de variações de origem ambiental. No fim desta unidade, você deverá ser capaz de: Objectivos Descrever a origem e desenvolvimento da genética; Descrever o papel da genética na sociedade e no estudo de Biologia; Caracterizar os níveis de análise genética (divisões da Genética) ; Definir correctamente os conceitos básicos da genética; Aplicar conceitos de Genética na percepção de eventos genéticos. 10· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP Lição no 1 Origem e desenvolvimento da Genética Introdução No final desta lição deverá ser capaz de: Objectivos Caracterizar os grandes marcos da história da Genética; Estabelecer relação entre os diferentes marcos da Genética. Identificar o lugar atribuido a Mendel na história da Genética. Indicar o objecto de estudo da genômica Os grandes marcos na Genética Certamente que neste momento em que inicia a leitura sobre a genética, recordar-se-á de um cientista universalmente reconhecido. Quem será? É isso mesmo, Gregor Mendel. Realmente a genética é baseada na pesquisa de Gregor Mendel, um monge que pela primeira vez descreveu correctamente o modo como a informação genética, que determina algumas características, é herdada. Actualmente consideram-se três grandes marcos na história da Genética (eventos importantes que ocorreram durante o desenvolvimento da genética), a saber: Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 11 André Machava Manhiça I. A descoberta dos princípios que controlam a herança biológica; II. A identificação do material responsável por essa herança e a elucidação de sua estrutura, e III. A análise compreensiva do material hereditário em seres humanos e noutros organismos. Examinaremos, em seguida, cada um destes marcos e, de certeza, perceberá o incrível avanço que a genética experimentou desde a sua origem até aos momentos actuais. I. De Mendel ao DNA em menos de 100 anos Embora as outras disciplinas cientificas estejam também expandindo os seus conhecimentos, nenhuma se igualou (em crescimento de informação) à expansão registada na genética. Nenhuma outra ciência passou por um crescimento tão grande, em termos de acesso á informação, como a genética. Este crescimento de informação (portanto, muitas descobertas esclarecedoras em relativo pouco tempo, comparando com outras ciências) é evidenciado pelo tempo que decorreu desde os trabalhos de Mendel até a descoberta da estrututa do ADN (Ácido desoxirribonucléico). Basta lembrar que os trabalhos de Mendel foram publicados em 1866 e a estrutura de ADN ou DNA foi ilustrada em 1953 por Watson e Crick. Os trabalhos de Mendel foram muito importantes para a compreensão dos processos genéticos. Estes são, por sua vez, fundamentais à compreensão da própria vida, sendo por isso que a disciplina de genética é considerada por muitos como sendo o centro da Biologia. Mas, onde e quando inicia a história da Genética? 12· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP O ponto de partida para a história de Genética é o jardim do mosteiro na Europa Central nos anos 1860. Neste jardim, Gregor Mendel, um monge Augustiniano, conduziu uma série de experiências durante um perído de aproximadamente 10 anos usando como organismo biológico a ervilheira vulgar. Neste trabalho, Mendel mostrou que as “característica passam” dos progenitores para os descendentes de modo previsível. A partir do seu trabalho, Mendel concluiu que as características na ervilheira vulgar, como é o caso da altura e côr das flores, são controladas por unidades discretas de herança. Sabe como se chamam actualmente essas unidades? (tem uns segundinhos para pensar). Essas unidades são actualmente chamadas “alelos” (mas se pensou no termo “genes”, não se enganou, verá mais em diante como diferenciar os dois conceitos). Mendel também concluiu que os alelos que controlam uma característica existem em pares e que os membros de cada par de alelos separam-se durante a formação dos gâmetas. O trabalho de Mendel foi publicado em 1866, todavia, permaneceu durante muito tempo sem o devido reconhecimento científico, até que fosse redescoberto por volta de 1900, por três botânicos trabalhando individualmente, designadamente: Hugo de Vries, na Holanda, estudando o milho (de nome científico Zea mays) e a primavera (Primula chinensis), Carl Correns, na Alemanha, que estudou milho, ervilha e feijão, e Eric Von Tshermak Seysenegg, na Turquia, que estudou ervilheiras e outras plantas. Estes cientistas encontraram os registos de Mendel quando procuravam fontes bibliográficas que apoiassem os resultados dos seus próprios trabalhos. Com efeito, depois da confirmação da validade dos resultados de Mendel, estes foram reconhecidos como a base da transmissão de características em todos os organismos. Deste modo, as conclusões de Mendel formaram os fundamentos da genética. No entanto, o termo “genética” surge muito depois de Mendel, em 1905, proposto pelo Inglês William Bateson. Genética Geral edas Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 13 André Machava Manhiça Atenção! Note que a expressão “...características passam” foi colocada entre aspas, porque na verdade o que é passado de progenitores para os descendentes não são as características, mas sim a informação genética que vai determinar essas características. Todavia, é comum o uso desta expressão em livros de Biologia. II. A descoberta da dupla-hélice lançou a era do DNA recombinante Como já se fez referência nas secções anteriores, uma outra etapa que marcou a história da Genética foi a descoberta da estrutura do DNA, em 1953. Uma vez aceite que o àcido nucléico na forma de DNA carrega a informação genética, todos os esforços foram orientados para a decifração da estrutura do DNA e o mecanismo pelo qual a informação armazenada nesta molécula é expressa para determinar um certo fenótipo. Alguns anos depois da descoberta da estrutura, pesquisadores descobriram como isolar e fazer cópias de uma região específica da molécula do DNA, iniciando o caminho para a era da tecnologia de DNA recombinante. Será que você ainda se lembra da estrutura do DNA? Tal como aprendeu na Biologia Celular e Molecular, o DNA é uma molécula longa que forma uma hélice dupla, isto é, uma cadeia dupla (com dois filamentos) em forma de hélice. Cada filamento da hélice é uma molécula linear constituida por subunidades chamadas nucleotídeos. Na molécula do DNA são encontrados quatro diferentes tipos de nucleotídeos. Por sua vez, cada nucleotídeo é constituido por uma das quatro bases nitrogenadas: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) e Timina (T). James Watson e Francis Crick estabeleceram, em 1953, que as duas cadeias de DNA são exactamente complementares e antiparalelas, nas quais a Adenina emparelha sempre com a Guanina e a Citosina emparelha com a Timina. Tal como irá 14· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP aprender mais adiante, esta relação de complementaridade serve de base para a replicação do DNA e a base da expressão génica. Atenção! Note que, na abordagem acima, se referiu á constituição da molécula (o DNA) e á constituição da unidade ( o nucleotídeo). A molécula é formada por duas cadeias ou fitas de DNA. Cada uma das cadeias é formada por uma sequência de nucleotídeos. Um nucleotídeo é formado por uma base azotada (o mesmo que nitrogenada), um grupo fosfato e um açucar (pentose). III. Projecto genoma humano: Sequenciamento do DNA e catalogação dos genes Depois da identificação do material que constitui os genes, o grande acontecimento que se seguiu foi a determinação da sequência de nucleotídeos da molécula de DNA. O processo da determinação da sequência de nucleotídeos do genoma de um organismo designa-se por sequenciamento. O termo genoma refere-se ao conjunto complexo (n) de cromossomas (logo, de genes) herdado como uma unidade a partir de um progenitor. Não obstante, este termo é também usado para referir a todos os genes que compõem um organismo. Está complicado? Se não tiver percebido, releia o texto, escreva num papel à parte o que entendeu sobre os conceitos e procure mais informação (por exemplo na internet) sobre o conceito “genoma”. Mais adiante, ao aprender, a relação entre os cromossomas, o DNA e os genes, perceberá como estes termos estão intimamente ligados. Retomando a nossa conversa, o sequenciamento de DNA fornece informações necessárias para analisar todos os genes de um organismo (o genoma de um organismo). Certamente, você percebe agora que quando se fala de sequenciamento do genoma tal equivale a falar de sequenciamento de todos os genes do organismo. O modelo do programa de sequenciamento de genes Actividade Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 15 André Machava Manhiça do homem é o “projeto genoma humano”. Este projecto iniciou em 1990, e representa um esforço mundial para determinar a sequência do genoma humano (isto é, a sequência de nucleotídeos de todo o DNA humano). Nessa altura, tiveram início vários outros projectos genoma, de diferentes organismos modelo, utilizados em pesquisas genéticas. Como resultado do referido projecto, em 2001 foram publicados os primeiros resultados do sequenciamento do genoma humano: cerca de 2,7 biliões de pares de nucleotídeos equivalentes a 96% do DNA humano tinham sido sequenciados. Em 2003, o sequenciamento da porção remanescente foi completado e publicado. Portanto, o sequenciamento permite-nos conhecer o número de genes que compoêm o nosso genoma. Neste contexto, dados da análise computacional mais recentes, indicam que o genoma humano é formado por cerca de 20.000 a 25.000 genes. Esses genes foram catalogados por localização, estrutura e função potencial. Como já o dissemos anteriormente, inúmeros projectos genoma iniciaram nessa altura, e como resultado disso, são actualmente conhecidos genomas de cinco organismos usados em pesquisas genéticas, designadamente: Escherichia coli (uma Bactéria); Saccharomyces cerevisae (uma levedura); Caenorhabditis elegans (lombriga); Drosophila melanogaster (mosca da fruta) e Mus musculus (Rato). À medida que os projectos genoma se multiplicavam e mais sequências de genomas eram depositados no banco de dados, uma nova disciplina nascia a genômica (o estudo da estrutura, funcionamento e evolução de genomas inteiros). 16· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP Resumo A história do surgimento e desenvolvimento da genética é muito mais longa do que está aqui descrita. No entanto, e, de acordo com os objectivos desta disciplina, focalizamos apenas três momentos: A descoberta dos principios que controlam a herança biológica; A identificacao do material responsável por essa herança, a elucidação de sua estrutura, e A análise compreensiva do material hereditário em seres humanos e outros organismos Note-se que estes três marcos decorreram num espaço de tempo relativamente curto comparativamente à produção de conhecimentos em outras áreas científicas. Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 17 André Machava Manhiça Auto-avaliação 1. Releia atentamente os grandes marcos da história da genética. Que relação encontra entre eles? Compare com as respostas dos seus colegas. 2. Que lugar atribuiria ao Gregor Mendel na história da Genética? Compare com as respostas dos seus colegas. NB: Se respondeu que Mendel é considerado o pai da genética, está no caminho certo. Porém, deverá indicar a razão pela qual assim o consideram. 3. Qual é a origem da genômica? Qual é o seu objecto de estudo? NB: Releia o texto para verificar se conseguiu responder correctamente. Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 19 André Machava Manhiça Lição no 2 O papel da Genética e as suas divisões Introdução Na presente lição, irá aprender sobre o papel e as divisões da Genética. Você precisará de cerca de 45 minutos de estudo. Coloque o seu telemóvel no silêncio para minimizar a interferência no período de estudo. No final desta lição, você deverá ser capaz de: Mencionar a importância da genética para o indivíduo, a sociedade e para o estudo da Biologia; Descrever os níveis de análise genética ( Genética clássica, molecular e populacional); Indicar os níveis de análise genética; Comparar os níveis de análise genética; Indicar as aplicações de genética nas diferentes áreas; Argumentar sobre o papel da genética na sociedade. I. O papel da genética Iniciemos este tópico colocando-lhe algumas questoões: Que importância terá a Genética para si como indivíduo e para a sociedade no geral? Acha que as aplicações da genética afectam Actividade 20· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP a sua vida? De que modo? (Escreva as suas respostas no seu caderno ou folha). De certeza que encontrou uma vasta gama de respostas todas elas concordantes neste aspecto: A genética é realmente importante para os indivíduos e para a sociedade. Todos os indivíduos possuem genes que influenciam as suas vidas de várias formas. Repare para si e para as pessoas à sua volta e verá tantas características semelhantes e outras diferentes entre vós. Muitas dessas semelhanças e diferenças nas características são devidas aos vossos genes. Os genes afectam o nosso peso, altura, cor do cabelo, pigmentação da pele entre outras características. Eles afectam a nossa susceptibilidade a muitas doenças e até contribuem para a nossa inteligência e personalidade. Atenção! Note que nem tudo o que somos como indivíduos é determinado pelos nossos genes. Porém, a grande lição da genética ensina- nos que “não existem pessoas superiores nem inferiores; existem pessoas diferentes e quanto mais diferentes formos, melhor, porque cada um pode aprender do outro”. Tal como já nos haviamos referido anteriormente, a genética é também importante para a sociedade.O desenvolvimento da agricultura começou com a aplicação dos princípios genéticos na domesticação de plantas e animais. Hoje, muitas culturas e animas são diferentes dos seus progenitores selvagens, tendo sofrido alterações genéticas extensivas que aumentaram seus rendimentos e forneceram muitas características desejáveis, como a resistência a doenças e pragas, qualidades nutricionais especiais, etc. A revolução verde que expandiu a produção de alimentos entre os anos 1950 a 1960 apoiou-se fundamentalmente na aplicação da Genética.Também não constitui novidade nenhuma para si, que Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 21 André Machava Manhiça culturas geneticamente modificadas através de engenharia genética, representam uma proporção significante da produção mundial. Terá a oportunidade de abordar, com mais detalhe, aspectos da Engenharia genética e organismos geneticamente modificados quando estudar a disciplina de Genética Molecular e Biotecnologia. Podemos, no entanto, adiantar-lhe algum conhecimento sobre a aplicação da Engenharia Genética, o que está relacionado com o papel da genética na sociedade. Na indústria farmacêutica, numerosas drogas e aditivos alimentares são produzidos por fungos e bactérias que foram geneticamente manipulados para se tornarem produtores eficientes destas substâncias. Técnicas de genética molecular são utilizadas na biotecnologia industrial para desenvolverem e produzirem substâncias de alto valor comercial. Hormonas de crescimento, insulina e fatores de coagulação são actualmente produzidas por bactérias modificadas geneticamente para fins comerciais. Como não deixaria de ser, uma das maiores aplicações da genética é encontrada na medicina. Actualmente reconhece-se que muitas doenças têm uma componente hereditária, incluindo doenças como asma, diabetes e hipertensão. Avanços em genética resultaram em percepções na natureza de doenças como o câncer e no desenvolvimento de testes de diagnóstico tais como os que identificam genes defeituosos. A terapia génica é uma nova forma de tratamento baseada na alteração directa dos genes para curar doenças humanas, e representa um dos pontos mais altos da aplicação da genética e sua importância na sociedade. Todas estas aplicações da genética nas diversas áreas, evidenciam a ideia de que actualmente vivemos na era da Genética. O papel da Genética no estudo da Biologia Certamente que já se questionou sobre a importância da aprendizagem da Genética no seu curso de formação de professores de Biologia. Por outras palavras, pretendo saber com 22· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP essa questão o seguinte, qual é o lugar da genética no estudo da Biologia. Que resposta se pode dar? Não há dúvidas que a compreensão de Genética seja importante para todos, mas ela é fundamental, particularmente, para o estudante de Biologia. A genética fornece um dos princípios unificadores da Biologia: “ Todos os organismos usam sistemas genéticos que apresentam muitas características em comum”. Isto significa que a forma como a informação genética é expressa para determinar as características é semelhante entre os diversos organismos. Aliás, você deve ter aprendido na 10ª classe que o código genético é universal, com apenas algumas excepções. A Genética também é fundamental para o estudo de outras disciplinas biológicas, como por exemplo, o estudo da evolução (mudanças genéticas que ocorrem ao longo do tempo) requer a compreensão de genética. A Biologia de desenvolvimento apoia- se fundamentalmente em genética (os tecidos e órgãos desenvolvem-se através da regulação da expressão génica). Como deve perceber, se considerarmos que os processos genéticos são fundamentais a compreensão da própria vida, então a disciplina de genética pode ser colocada como centro da Biologia. Lembre-se, pois, que a informação genética direcciona a função celular, determina largamente a aparência dos organismos e serve de elo de ligação entre as gerações em todas as espécies. Essas funções da informação genética ilustram a necessidade da Genética na elucidação de processos e mecanismos biológicos. A Genética unifica a biologia e serve como o seu sustentáculo. II. Divisões da Genética Ao falarmos das divisões de genetica, queremos nos referir aos diferentes níveis de análise genética, ou melhor, às diferentes perspectivas sob as quais pode-se abordar a genética. De facto, podemos abordar a genética, por exemplo, numa perspectiva Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 23 André Machava Manhiça clássica ou mendeliana, molecular e populacional. Vamos em seguida descrever cada um desses níveis de análise genética: a) Genética clássica Tal com sabe, o termo clássico pode significar “o mais antigo, o primeiro”. Lembre-se de que a primeira abordagem da genética enfatizou a transmissão de “características” de um organismo para o outro. Essa foi a abordagem desenvolvida por Mendel. Assim, já pode perceber por que razão este nível de análise também pode ser designada genética mendeliana ou de transmissão. Neste nível, os geneticistas analisam como a infornação genética é transmitida de um indivíduo para um outro, ou de pais para os filhos. Neste âmbito, os genes são identificados estudando-se a herança de diferentes características no cruzamento entre linhagens diferentes de organismos. Portanto, tratados princípios básicos de herança e a forma como as características são passadas de uma geração à outra. Neste nível, estuda-se a relação entre cromossomas e hereditariedade, o arranjo de genes nos cromossomas e o mapeamento dos genes. Neste nível o focus está no organismo individual. b) Genética Molecular A genetica molecular refere-se à natureza química do gene e procura perceber como a informação genética é codificada, replicada e expressa. Inclui os processos celulares de replicação, transcrição, tradução e regulação gênica (os processos que controlam a expressão da informação genética). Neste caso, o focus da análise está no gene, sua estrutura, organização e função. A análise genética molecular é baseada no estudo de sequências de DNA. Com base nesse estudo, assequências codificantes, reguladoras e não codificantes podem ser identificadas e a natureza do polipeptídeo codificado pelo gene pode ser prevista. 24· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP c) Genética das populações A genética das populações explora a composição genética de grupos de indivíduos membros de uma mesma espécie (populações) e como essa composição muda geograficamente e com o passar do tempo. Você sabe que cada indivíduo possui seus próprios genes, todavia, esses genes individuais formam parte de uma reserva comum de genes compartilhada por todos os indivíduos da população à que pertence. Assim, a origem e o destino dos genes do cada indivíduo não é independente da população onde vive. Todavia, os membros de uma população variam na sua constituição genética. A análise da variabilidade genética numa população é uma base para o estudo da evolução biológica. Os geneticistas das populações determinam as frequências de alelos específicos numa população e avaliam se tais frequências mudam com o tempo. Caso sim, a população está evoluindo. Neste nível, o focus da análise é o conjunto de genes encontrado numa população (gene pool). Atenção! Note que em cada nível de análise coloca-se a ênfase num determinado aspecto específico procurando-se dar resposta a uma certa questão. Na genética clássica, o focus está no indivíduo; procura-se explicar como um organismo (individuo) herda a sua constituição genética e como passa os seus genes para a geração seguinte? Na genética molecular o focus está no gene e processos celulares; procura-se explicar como a informação genética é codificada, replicada e expressa? Na genética das populações, o focus está no conjunto de genes de uma população, com vista a explicar como a composição genética da população muda geograficamente e com o passar do tempo. Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 25 André Machava Manhiça Atenção! Note, caro estudante, que todos os níveis de análise estudam os genes, porém, a forma como estes são estudados é que difere, ou seja: Na genética clássica, os genes são estudados segundo a herança de características em cruzamentos entre linhagens diferentes de um organismo. Na genética molecular, os genes são estudados mediante isolamento, sequenciamento e manipulação do DNA e examinando-se os produtos de expressão gênica. Na genética das populações, os genes são estudados avaliando- se a variabilidade entre individuos em um grupo de organismos. 26· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP Resumo Divisões da Genética Focus O que estuda? Genética Cássica Indivíduo Principios básicos de herança Genética Molecular Gene Processos celulares de replicação, transcrição, tradução e regulação gênica Genética Populacional Gene pool (população) Composição genética das populações e suas variações Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 27 André Machava Manhiça Auto-avaliação e Comentários Depois de estudar a lição encontre as respostas para as seguintes questões colocadas: 1. O estudo da genética pode ser feito em várias perspectivas. a) Quais?( Veja os níveis de análise genética) b) Compare-as. NB: Releia o texto acerca das divisões da genética e verifique as suas respostas. 2. Indique as aplicações da genética na agricultura. NB: Preste muita atençào ao responder à esta pergunta, sob o risco de dar respostas muito vagas. Se a sua resposta referir-se à qualidade de produtos a obter, às características das variedades a serem usadas, pode estar a caminhar. 3. Considerando as aplicações da genética nas diversas áreas , discutam, num grupo de três estudantes, o papel da genética na sociedade. NB: Se pensou nas desvantagens que a falta de conhecimentos de genética teria para a sociedade, pode ter encontrado um bom caminho para responder correctamente à questão. 28· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP Lição no 3 Conceitos básicos de Genética e variações de origem genética e ambiental Introdução Nesta lição, você irá aprender os conceitos básicos de genética e os conceitos de variações tanto de origem ambiental como genética. O domínio dos conceitos básicos é fundamental para a compreensão de processos genéticos. Procure perceber o seu significado, pois memorizá-los pode não lhe ser muito útil. Para o estudo desta lição, você precisará de cerca de 60 minutos. Coloque o seu telemóvel no silêncio para minimizar a interferência no período de estudo. No final desta lição, você deverá ser capaz de: Definir correctamente os conceitos básicos de genética; Relacionar os conceitos básicos de genética; Diferenciar as variações de origem genética das de origem ambiental; Utilizar os conceitos de genética na interpretação de fenómenos genéticos. Discutir a relação entre gene, DNA e cromossoma; Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 29 André Machava Manhiça Exemplificar as variações de origem genética e as variações de origem ambiental; Definir corretamente o conceito fenocópia; Comparar o genótipo e o genoma. Os conceitos básicos que serão aqui apresentados são a sua principal ferramenta para a percepção dos processos e eventos genéticos que serão tratados mais adiante. Esses conceitos podem parecer-lhe, nalgum momento, muito abstractos, o que é normal, porém, a terminologia que será usada tentará reduzir essa abstracção de modo a garantir uma melhor compreensão dos mesmos. Certifique-se sempre de que o conceito anterior foi percebido antes de partir para um outro. No entanto, existem muitas variantes de definições para os mesmos conceitos que estão também correctas, pode também recorrer a elas. Genética Genética - é o ramo de biologia que estuda as leis de “transmissão das características” hereditárias nos indivíduos e as propriedades das partículas que asseguram essa transmissão. Portanto, a Genética estuda a hereditarieddade e suas variações. Hereditariedade O termo hereditariedade refere a transferência da informação genética dos progenitores para os descendentes e a interpretação dessa informação genética nos descendentes, reflectida nas suas características internas e externas (fenótipo). Em Biologia Celular e Molecular, tratou dos processos de divisão celular: a mitose e a meiose. De certeza que você aprendeu que a informação genética pode ser transmitida de um indivíduo para o outro e de uma célula para a outra. Pois é, os mecanismos para a transferência da informação genética dos progenitores para os descendentes são a meiose e a reprodução sexuada. O 30· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP mecanismo para a distribuição dessa informação genética dentro do ou no novo indivíduo é a mitose. Gene A definição precisa do conceito gene geralmente varia, dependendo do contexto biológico e à medida que se exploram vários aspectos da hereditariedade. Por isso, é importante clarificar em que nível de organização e em que contexto biológico estamos a defini-lo. Num nível simples, pode-se pensar o gene como uma unidade de informação que codifica uma característica genética, ou seja, em termos não moleculares, o gene é definido como uma unidade de herança que governa uma certa característica. Em termos moleculares, gene é um segmento de DNA contendo a informação genética para um polipeptídio ou molécula de RNA. Em termos moleculares o gene não tem uma existênciaindependente, é simplesmente uma porção do DNA, parte de uma grande molécula. Embora o gene seja definido como uma sequência de nucleótidos necessária para a síntese de um polipeptídeo, há no entanto, ao longo dos cromossomas, algumas sequências especializadas capazes de ser transcritas, mas que não contêm informação para a síntese de proteínas. Por exemplo, as sequências que produzem os diferentes tipos de RNA transportadores e ribossómicos. Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 31 André Machava Manhiça Actividade 1 Como deve ter percebido, existe uma relação entre gene, DNA e cromossoma. Na disciplina de Biologia celular e molecular, você deve ter reflectido acerca dessa relação. Com base na figura abaixo discuta com o seu colega esta relação. Fig.1. Relação entre gene, DNA e cromossoma (Fonte:http://publications.nigms.nih.gov/thenewgenetics/chapter1.html) http://publications.nigms.nih.gov/thenewgenetics/chapter1.html 32· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP Comentário Se considerou primeiro a relação entre gene e DNA e depois a relação entre DNA e cromossoma, procedeu bem. Parabéns. Note-se que cada gene ocupa, no cromossoma, uma posição específica chamada Locus ( Plural: loci), por conseguinte, todas as formas alélicas de um gene são encontradas em posições correspondentes nos cromossomas geneticamente similares. Ocasionalmente aplica-se o termo locus e gene indistintamente e a palavra locus é às vezes usada no lugar de gene. No entanto, usa – se o termo “alelo” quando se refere a uma versão específica de um gene e o termo “gene” para referir de modo geral a qualquer alelo num locus. Vejas a figura a seguir que ilustra este aspeto. Fig.2. O Locus indica a posição ocupada por um certo gene ( Fonte: http://djalmasantos.wordpress.com/2011/02/12/testes- sobre-cromossomos-12/ ) O gene é simbolizado por uma letra (A, B, etc). Todos os genes em um cromossomo estão ligados entre si, formando um grupo de ligação factorial. http://djalmasantos.wordpress.com/2011/02/12/testes-sobre-cromossomos-12/ http://djalmasantos.wordpress.com/2011/02/12/testes-sobre-cromossomos-12/ Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 33 André Machava Manhiça Alelo Cada organismo diplóide (com dois conjuntos de cromossomas – 2n) é portador de dois alelos de cada gene. Um alelo é uma forma alternativa de um gene. Os alelos situam-se em posição equivalente de um par de homólogos e determinam o mesmo tipo de característica. Ex: O gene para a cor dos olhos pode ter um alelo para olhos castanhos e outro alelo para a cor azul. Os alelos são representados por uma letra (preste atenção: são simbolizados ou representados por letras, não são letras!!!). A letra A, por exemplo, pode ter duas formas, maiúscula (A) e minúscula (a). Do mesmo modo, um gene (B) pode ter duas formas de alelos; um alelo dominante (B) e um alelo recessivo (b). Alelo recessivo Um alelo é recessivo quando só se manifesta na ausência do alelo dominante. Os alelos recessivos manifestam – se apenas em indivíduos homozigóticos (aqueles que apresentam os dois alelos de um par iguais) recessivos. Alelo Dominante Um alelo é dominante quando se manifesta tanto em indivíduos homozigóticos como em heterozigóticos. Exemplo: Considerando que o gene para textura da semente de ervilheira poderia ser simbolizado por letras, o alelo para textura lisa da semente de ervilheira seria dominante (representado por exemplo por R) e o alelo para textura rugosa da semente de ervilheira seria recessivo (representado por exemplo por r). O alelo recessivo só se manifestaria na ausência do alelo dominante, isto é plantas com sementes rugosas seriam 34· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP homozigóticas recessivas (rr) e o alelo dominante se manifestaria tanto em indivíduos homozigóticos (RR) como em indivíduos heterozigóticos (Rr) e então as plantas com essa constituição teriam sementes lisas. Plasmídeos ou plasmagenes Nem todo o material genético se encontra no núcleo ou na região núclear. Existem moléculas pequenas e circulares de DNA extracromossómico, que se duplicam de forma autónoma denominadas plasmídeos ou plasmagenes. Alguns plasmídeos, chamados de epissomas, podem integrar-se ao cromossoma hospedeiro e duplicar-se com ele. Eles geralmente contêm informação genetica não essencial à sobrevivência das bactérias, tais como genes para resistência a antibióticos. Todos os plasmagenes de uma célula em conjunto constituem o plasmon. Fig.3. O Plasmídeo ( Fonte: http://www.libertaria.pro.br/tdna_recombinante_intro.htm ) Genótipo O genótipo é o conjunto de alelos que um organismo possui. O genótipo de um determinado par de alelos pode ser homozigótico ou heterozigótic http://www.libertaria.pro.br/tdna_recombinante_intro.htm Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 35 André Machava Manhiça Homozigoto ou Homozigótico Homozigoto é um organismo diploide que apresenta no seu genótipo os dois alelos iguais. Por exemplo, se se considerar a herança de uma uníca característica determinada por apenas um único gene, pode-se representar os genótipos da seguinte maneira: AA – Homozigotico dominante aa – Homozigotico recessivo. Heterozigoto ou Heterozigótico Heterozigoto é um organismo diploide que apresenta no seu genótipo os dois alelos diferentes. Um organismo pode ser homozigótico para um par de alelos e heterozigótico para outro par. Por exemplo, para o caso da herança monohíbrida (ou seja de apenas um par de alelos), pode-se representar os heterozigóticos da seguinte maneira: Aa, Bb, Cc, etc. Fig.4. Os alelos podem combinar-se de várias formas originando três possibilidades de genótipos ( Fonte: http://djalmasantos.wordpress.com/2011/02/12/testes- sobre-cromossomos-12/ ) http://djalmasantos.wordpress.com/2011/02/12/testes-sobre-cromossomos-12/ http://djalmasantos.wordpress.com/2011/02/12/testes-sobre-cromossomos-12/ 36· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP Fenótipo Tem sido frequente definir – se o fenótipo como sendo o conjunto de características externas ou visíveis a olho nú. Mas os organismos apresentam também características internas ou invisíveis a olho nú, exigindo por isso testes especiais para a sua identificação. Portanto, o mais correcto seria definir o fenótipo como o conjunto das características internas e externas (visíveis e invisiveis) que um organismo apresenta. O fenótipo refere-se a qualquer tipo de caracateristica – física, fisiológica, bioquímica ou comportamental. O fenótipo resulta da expressão do genótipo em interacção com o meio ambiente, ou seja, os genes não actuam isoladamente. Eles actuam no contexto de um ambiente tanto biológico quanto físico e por vezes em conjunto com outros genes. Todo o desenvolvimento individual é a expressão do genótipo em interacção com o meio ambiente. Porém, a influência do meio ambiente desenvolve – se nos limites do genótipo, ou seja, o genótipo fixa limites à variação possível do fenótipo, esses limites são conhecidos como norma de reacção.Por vezes se usam os termos característica e fenótipo indiferentemente. Todavia, o termo “característica” pode ser usado para referir uma característica/aspecto geral como a cor dos olhos e o termo fenótipo refere-se a uma manifestação específica de uma característica, como por exemplo, olhos azuis ou castanhos ou grupo sanguíneo O ou AB. Cromossomas Lembre-se que um dos componentes do núcleo é a cromatina. A cromatina é um conjuntode fios, cada um deles formado por uma longa molécula de ADN associada a moléculas de histonas (um tipo especial de proteinas). Durante a interfase (uma das fases do ciclo celular), a cromatina pode sofrer a espirilização ou Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 37 André Machava Manhiça condensação, dando origem a estruturas denominadas cromossomas. Como já deve saber, as moléculas de ADN dos cromossomas contêm genes com informações para a síntese de proteinas. Nos organismos mais desenvolvidos, cada célula somática (qualquer célula do corpo, excluindo-se as células sexuais) contém um conjunto (n) de cromossomas herdado do lado materno (fêmea) e um conjunto (n) de cromossomas semelhantes aos maternos (cromossomas homólogos), herdados do lado paterno (macho). Por isso, uma célula somática é designada diplóide (2n). O sufixo plóide refere-se a conjuntos de cromossomas e o prefixo di indica o grau do plóide. As células sexuais ou gâmetas, que contêm a metade do número de conjuntos de cromossomas encontrados nas células somáticas, são designadas células haplóides (n). Nos machos de algumas espécies, incluindo-se a espécie humana, o sexo está associado a um par de cromossomas morfologicamente diferentes um do outro (heteromórficos), denominados cromossomas sexuais. Estes dois cromossomas são geralmente designados por X e Y. Portanto, os machos têm dois cromossomas diferentes (XY) e as fêmeas têm dois cromossomas X (XX), que são morfologicamente idênticos. Os membros de quaisquer outros pares de cromossomas homólogos são morfologicamente indistinguíveis, mas são geral e visivelmente diferentes de quaisquer outros pares (cromossomas não homólogos). Todos os cromossomas – com a excepção dos cromossomas sexuais - são denominados cromossomas autossómicos. Cariótipo O cariótipo pode ser definido como sendo a constituição cromossómica de uma célula ou de um indivíduo, isto é, o arranjo 38· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP cromossómico em ordem de comprimento e de acordo com a posição do centrómero: Alguns autores definem - no como a fórmula abreviada para constituição cromossómica, tal como 46,XY para o cariótipo masculino (veja a figura abaixo e repare como os pares de cromossomas foram arrumados em ordem de tamanho (começando pelo par 1 e terminando com o par 22; os cromossomas do par 23 não têm o mesmo tamanho, no caso do cariótipo masculino). Outros autores ainda definem o cariótipo como o estudo da individualidade de cada um dos cromossomas e de todo o número de cromossomas. Fig.5. Cariótipo de um indivíduo masculino ( Fonte: http://logicasbiologicas.blogspot.com/2009_11_01_archive.html ) Observação: Os cromossomas não estão dispostos desta forma nas células. Para poder estudá-los tira-se uma microfotografia da célula em divisão, recorta-se os cromossomas e rearranja-se desta forma. Genoma Grupo completo de cromossomas (n), portanto, de genes, herdado como uma unidade a partir de um progenitor. http://logicasbiologicas.blogspot.com/2009_11_01_archive.html Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 39 André Machava Manhiça Por exemplo, se lhe perguntam qual é o genoma da espécie humana, a resposta correcta seria 23 cromossomas. Variações de origem genética e ambiental Por vezes ficamos sem saber distinguir quais características são de origem genética e quais não são. Actividade 2 Se alguém lhe perguntar, por exemplo, se entre ser canhoto e ter a caixa torácica muito desenvolvida (como ocorre com os cantores de ópera) qual das características é de origem genética, o que responderia? (Justifique). Leia o parágrafo abaixo e reveja a sua resposta. . As características com que nascemos, que resultam da expressão do DNA que recebemos dos nossos pais, são de origem genética. Essas características podem ser passadas de uma geração à outra via material genético durante o processo de reprodução. Isto não significa que os descendentes oriundos dos mesmos progenitores, terão exactamente as mesmas características. Entre as várias razões que podem explicar a existência das diferenças nas características dos descendentes, pode-se indicar as mutações. O material genético sofre diversas mudanças sob acção de factores do meio externo e interno. A composição molecular do gene e a sua Bioquímica, a estrutura e o número de cromossomas, tudo isto se encontra sujeito a mudanças. Portanto, as mudanças moleculares, estruturais e numéricas da informação 40· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP genética provocadas pela interação entre o genótipo e o meio ambiente são denominadas mutações. Por outros termos, todas as alterações na estrutura gênica e cromossómica são mutações. Com base nisto, certamente que fica fácil perceber porquê as mutações são hereditárias. Portanto, as mutações são variações hereditárias. Como já sabe, as características determinadas pela nossa informação genética podem ser passadas de progenitores para os descendentes. As mutações provocam o surgimento de novas informações genéticas e, por conseguinte, novas características e aquelas podem ser transmitidas de pais para os filhos também. Algumas características podem surgir como resultado da acção entre o meio ambiente e os processos de desenvolvimento, ou seja, entre o meio ambiente e a expressão da informação genética no desenvolvimento do indivíduo. Essas características terão surgido por causa de modificações. As modificações não afectam o material genético, sendo, por isso, variações não hereditárias. Por exemplo, os atletas que praticam o levantamento de peso, apresentam seus músculos bastante desenvolvidos. No entanto, seus descendentes não exibem essa característica à nascença. Pode explicar porquê? Comentário Voltando para a actividade acima proposta, se considerou que ser canhoto é uma característica genética, está certo (a). No entanto, para a sua resposta estar completa, deverá pensar na forma como essa característica se manifesta entre pais e filhos. Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 41 André Machava Manhiça Resumo Hereditariedade é o processo de transferência da informação genética dos progenitores para os descendentes e a interpretação dessa informação genética nos descendentes, reflectida no seu fenótipo. A definição do conceito gene geralmente varia, dependendo do contexto biológico. No entanto, em termos moleculares, o gene é uma sequência de nucleótidos contendo a informação genética necessária para a síntese de um polipeptídeo. Do ponto de vista relacional, o gene encontra-se no DNA e este está no cromossoma. Os genes podem apresentar-se em diferentes formas alternativas designadas alelos. Nas bactérias, para além do DNA principal podemos encontrar plasmídeos. Os plasmídeos são moléculas pequenas e circulares de DNA extracromossómico, que se duplicam de forma autónoma. É denominado circular por ser contínuo e não por ter forma de círculo. Os termos homozigótico e heterozigótico referem-se sempre ao genótipo. A expressão do genótipo em interacção com o meio ambiente resulta num certo fenótipo. Os indivíduos apresentam variações, que podem ser de origem genética ou ambiental. As variações de origem genética são hereditárias e as de origem ambiental não afectam o material genético. 42· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP Auto-avaliação 1. Elabore um mapa de conceitos indicando a relação entre os diferentes conceitos básicos de genética que acabou de aprender.Cometário: Se tiver dificuldades, reveja, no seu módulo de didáctica de biologia, o que é um mapa de conceitos. 2. Numa aula de BCM, a Elisa discutia com o Bino. A Elisa dizia que “o gene se encontra no DNA” e o Bino achava o contrário, “ o DNA está no gene”. Quem estava correcto? Porquê? Comentário: Se pensou na definição de gene para chegar às respostas exigidas, pode estar no caminho certo. 3. Durante esta lição, aprendeu as variações de origem genética e variações de origem ambiental. Dê dois exemplos concretos para cada tipo de variação. Comentário: Se pensar no que diferencia as variações de origem genética e variações de origem ambiental, procede de forma correcta, pois isso pode ajudar-lhe a encontrar facilmente os exemplos. 4. Defina o conceito fenocópia ( Este conceito não foi tratado na aula, porém, acreditamos que com base nos conhecimentos até aqui adquiridos pode defini-lo). Comentário: Nesta questão você pode precisar de um pequeno “empurrão”. A diabetes pode ser de origem genética ou de origem ambiental (nutricional). Dois Indivíduos, um padecendo de diabetes de origem genética e outro de diabetes de origem ambiental, apresentarão as mesmas manifestações clínicas. O indivíduo com diabetes de origem ambiental pode ser considerado uma fenocópia). 5. Faça a comparação entreo genótipo e o genoma ( NB: encontre o que há de semelhante e de diferente entre os dois conceitos). Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 43 André Machava Manhiça Unidade II Princípios Mendelianos Introdução Terminada a primeira unidade, na qual introduzimos ao estudo da Genética, vamos a partir deste momento fazer uma abordagem acerca dos princípios mendelianos, ou seja, os princípios básicos de herança que se fundamentam nos trabalhos de Gregor Johann Mendel. Posto isto, iniciaremos esta abordagem com a interessante e didáctica vida de Gregor Mendel. Em seguida, faremos a descrição das experiências de monohibridismo e dihibridismo realizadas por este famoso cientista. Como sabe, a partir das conclusões das referidas experiências foram deduzidas as leis de Mendel, que serão o ponto apresentado a seguir às experiências de dihibridismo. O estudo da genética humana requer, frequentemente, a construção de heredogramas (genealogias ou árvores genealógicas), por isso é importante o conhecimento dos símbolos usados para a sua construção. O estudo da simbologia será o penúltimo ponto, antes de concluirmos a unidade com o tratamento do cruzamento-teste e retrocruzamento. 44· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP No final desta unidade deverá ser capaz de: Enunciar os princípios mendelianos; Aplicar os princípios mendelianos na resolução de exercícios sobre a herança; Aplicar os princípios mendelianos na interpretação de fenómenos genéticos; Descrever as experiências de Mendel; Construir e interpretar genealogias; Representar a realização de um cruzamento-teste; Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 45 André Machava Manhiça Lição no 1 A vida e experiências deMendel Introdução Na presente lição, você irá aprender alguns aspectos da vida de Mendel assim como das experiências por ele realizadas, como por exemplo, a realidade científica vivida na altura da realização das experiências e as razões que contribuiram para o sucesso de Mendel. Para o estudo desta lição, você precisará de cerca de 45 minutos. Coloque o seu telemóvel no silêncio para minimizar a interferência no período de estudo. No final desta lição deverá ser capaz de: Descrever o ambiente científico presente no período da realização das experiências de Mendel; Descrever as razões para o sucesso dos trabalhos de Mendel; Analisar a contribuição dos procedimentos de Mendel para o sucesso dos seus trabalhos; Caracterizar o modelo experimental usado por Mendel. Reflectir acerca das principais lições da história de vida de Mendel 46· Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP I. A Vida de Mendel Johann Mendel nasceu em 1822 numa família de camponeses, na vila de Heinzendorf na Europa Central, actualmente parte da República Checa. Embora seus pais fossem simples camponeses com poucos recursos financeiros, ele foi capaz de alcançar um excelente nível educacional. Mendel foi um excelente estudante no ensino secundário e estudou filosofia durante muitos anos. Em 1843, foi admitido no Mosteiro Augustiniano de São Tomás, em Brno. Depois da sua graduação no seminário, Mendel foi ordenado padre e indicado para leccionar numa escola local. Como padre ele recebeu o nome de Gregor. Com o seu excelente trabalho no ensino, em 1849 foi dispensado das tarefas pastorais e o Abade do Mosteiro recomendou-lhe que continuasse com os seus estudos na Universidade de Vienna, onde estudou Física e Botânica entre 1851 e 1853. Foi, provavelmente, nesse percurso que Mendel adquiriu conhecimentos sobre metodologia científica, que posteriormente aplicou com sucesso nas suas experiências genéticas. Depois de dois anos na Universidade de Vienna, Mendel regressou a Brno em 1854, onde foi professor de Física e Ciências Naturais durante 16 anos e iniciou suas experiências com as plantas da ervilheira vulgar. Mendel recebeu o apoio do mosteiro para os seus estudos e pesquisas ao longo da sua vida. A fase de pesquisa na sua carreira durou até 1868 quando foi eleito abade do mosteiro. Mendel morreu em 1884 por complicações renais. II. As experiências de Mendel a) O que se sabia antes dos trabalhos de Mendel? Como deve imaginar, na altura em que Mendel realizou as suas experiências, a ciência ainda não estava desenvolvida e portanto havia muitos conhecimentos de biologia que ainda não tinham sido descobertos. Por isso, e mesmo para evidenciar o mérito de Mendel, será interessante aprender sobre os conhecimentos que já existiam e que, provavelmente, constituiram uma base teórica para as ideias de Mendel. Genética Geral e das Populações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia. UP 47 André Machava Manhiça Em 1676, Nehemiah Grew (1641 – 1712) reportou que as plantas se reproduzem sexuadamente, usando o pólen produzido pela parte masculina da planta. Com esta informação, muitos botânicos começaram a realizar experiências cruzando plantas de linhagens diferentes e obtiveram híbridos. Em 1833, Robert Brown (1773 – 1858) descreveu o núcleo da célula como tendo a nucleina, a substância que mais tarde seria denominada ácido nucléico. Como deve ter aprendido em Biologia Celular e Molecular, em 1839, Mathias Schleiden (1804 – 1881) e Theodor Schwann (1810 – 1882) formularam a teoria celular. Charles Darwin (1809 – 1882), um dos mais influentes biólogos do século dezanove, apresentou a teoria de evolução por meio de selecção natural e publicou as suas ideias no livro a origem das espécies em 1859. Darwin reconheceu que a hereditariedade era fundamental para a evolução e conduziu vários cruzamentos genéticos com pombos e outros organismos. Todavia, ele nunca percebeu a natureza da herança. Como o caro estudante deve ter notado, embora a biologia não estivesse tão desenvolvida, Mendel não iniciou do nada para realizar as suas experiências, muito menos teria sido ele o primeiro a preocupar-se com a elucidação dos mecanismos de herança. Neste contexto, vários outros cientistas estavam engajados no estudo dos mecanismos da hereditariedade. b) A realização das experiências de Mendel A partir da leitura que acabou de realizar percebeu, de certeza, que a herança biológica
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