MICROBIOLOGIA AULA 03

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MICROBIOLOGIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Olá! 
 
O fluxo das características genéticas dos diversos microrganismos 
começa com a replicação do DNA, que é repassado verticalmente entre as 
gerações microbianas por meio da reprodução ou dos processos de 
transferência horizontal, como conjugação, transformação e transdução. 
Nesta aula, iremos abordar sobre os conceitos mais relevantes na 
genética microbiana, com foco especial nas bactérias. Além disso, iremos 
compreender os processos relacionados com a replicação de DNA nas 
células procariontes e com o controle da expressão genética. 
 
Bons estudos! 
 
 
 
AULA 3 – GENÉTICA 
MICROBIANA 
 
 
3 GENÉTICA MICROBIANA 
A palavra genética foi popularizada no começo do século XX, sendo empregada 
para definir a ciência da variação e da hereditariedade, isto é, o processo onde os 
aspectos manifestados por um organismo são transferidos para seus descendentes. 
Esse mecanismo é feito por qualquer ser vivo, possibilitando a perpetuação da 
espécie e sua adaptação às alterações ambientais. Segundo Pierce (2019), a genética 
foi concretizada como o estudo da hereditariedade em 1855, influenciada pelos 
estudos com ervilha feitos pelo biólogo austríaco George Mendel (1822 – 1884). 
Por meio do cruzamento de vários tipos de ervilha, Mendel demonstrou que os 
fenótipos herdados se manifestam de forma previsível, sendo definidos por fatores 
que, atualmente, chamamos de genes. Tais fatores consistem em sequências de DNA 
que codificam informações para, posteriormente, serem repassadas para o RNA e 
permanecerem como RNAr (funcional) ou serem traduzidas na produção de proteínas. 
O DNA começou a ser considerado um elemento essencial da hereditariedade 
nos anos 1930, com base no estudo do médico britânico Frederick Griffith (1877 – 
1941). O estudo demonstrou que, mesmo que estejam mortas, as cepas patogênicas 
de Streptococcus pneumoniae conseguem transferir essa virulência para cepas não 
patogênicas. 
Sadava et al. (2012) afirmaram que tal transformação apontava a existência de 
uma “substância” com a habilidade de alterar o gene da bactéria receptora. Na época, 
foi chamada de “princípio transformante”. 
Pouco tempo depois, os geneticistas Oswald Avery (1877 – 1955), Colin 
MacLeod (1909 – 1972) e Maclyn McCarthy (1911 – 2005) mostraram que enzimas 
capazes de quebrar RNA ou proteínas não alteravam a atividade desse princípio 
transformante, também comprovaram que somente aquelas que degradam DNA 
tiravam sua atividade, o que indica que o DNA tinha a natureza química de tal 
princípio. 
Na imagem 1, podemos observar uma molécula de DNA composta por duas 
cadeias longas de polinucleotídeos de orientação antiparalela, onde a complementar 
fica na direção 3’ – 5’ (lê-se “três linha/cinco linha”) enquanto a principal fica na direção 
5’ – 3’. Tais cadeias ficam conectadas por ligações de hidrogênio, sendo formadas por 
subunidades contendo um açúcar, uma base nitrogenada e um grupo fosfato, 
 
 
denominadas nucleotídeos. 
 
Imagem 1 – Representação de uma molécula de DNA 
 
Fonte: https://iplogger.com/22fAE6 
 
O açúcar presente no DNA consiste em uma pentose denominada 
desoxirribose, com uma base nitrogenada no carbono 1 e um grupamento fosfato no 
carbono 5. Tais bases nitrogenadas podem ser pirimidinas (citocina e timina) ou 
purinas (guanina e adenosina), elas representam compostos heterocíclicos, uma vez 
que possuem nitrogênio no anel aromático, fundamentais para a formação de pontes 
de hidrogênio. 
Conforme Zaha, Ferreira e Passaglia (2014), o grupamento fosfato é formado 
por um fósforo conectado com quatro oxigênios, estão presentes nos nucleotídeos 
com carga negativa. Na fita dupla de DNA, os nucleotídeos ficam juntos por meio de 
ligações fosfodiéster entre a hidroxila do carbono 3 e o grupamento fosfato do carbono 
5. 
Podemos definir o código genético como um punhado de informações 
presentes no RNA ou no DNA que são traduzidas para a síntese de proteínas. 
Chamamos cada trinca de bases do RNA ou DNA de códon, que podem gerar 64 
combinações diferentes. De todas as combinações, 61 contém os códigos presentes 
 
 
nos 20 aminoácidos que compõem as proteínas, enquanto os demais códons indicam 
o fim da síntese proteica, chamados de stop codons (códons de terminação). 
 
Imagem 2 – Combinações de código genético 
 
Fonte: https://iplogger.com/2SqAD4 
 
Brown (2012) afirma que um aspecto importante nesse contexto é a 
universalidade do código genético, ou seja, os códons armazenam informações dos 
mesmos aminoácidos em qualquer ser vivo, tanto em organismos complexos e 
multicelulares quanto em microrganismos simples. No entanto, ainda existem algumas 
exceções no genoma mitocondrial, como o códon AGA, responsável por sintetizar a 
arginina no DNA nuclear, enquanto na mitocôndria cumpre o papel de um stop codon. 
Justina, Meglhiorati e Caldeira (2012) citam outros dois conceitos muito 
utilizados: o fenótipo e o genótipo. Podemos definir o genótipo como a estrutura 
genética do ser vivo, isto é, o grupo de genes recebidos dos antepassados contendo 
dados para realizar todos os processos biológicos. Por sua vez, o fenótipo é a 
manifestação dos traços e aspectos observáveis, sendo definidos pela interação entre 
as características do ambiente onde o ser cresce e a carga genética. 
A palavra genoma foi popularizada pelo botânico alemão Hans Winkler no ano 
 
 
de 1920, sendo definida como o grupamento completo de genes em um organismo ou 
de cromossomos. Depois dos anos 1990, começaram a ser desenvolvidos o 
mapeamento e a examinação do genoma de diversos organismos, com o intuito de 
compreender a função, estrutura e expressão dos genes, dando início à era genômica. 
O principal marco dessa era foi a conclusão do Projeto Genoma Humano em 
2003, responsável por mostrar que nosso material genético possui, aproximadamente, 
3 bilhões de nucleotídeos e cerca de 20 mil genes codificadores de proteínas, 
representando quase 1% do comprimento total de um genoma, enquanto o restante 
consiste em sequências de DNA não codificante, que podem ser pseudogenes que 
não possuem mais sua capacidade funcional ou genes relacionados com a 
administração da expressão gênica. 
Com a criação de novas tecnologias e o surgimento da era genômica, abriu-se 
a possibilidade de concentrar os estudos nas interações e expressões dos genes, e 
nos produtos dos processos transcriptômicos, proteômicos, nutrigenômicos, 
metabonômicos, etc. 
3.1 DNA bacteriano e sua função na genética das bactérias 
A evolução nos processos de sequenciamento dos genomas bacterianos 
possibilitou uma descrição detalhada dos aspectos particulares de cada ser vivo. 
Entretanto, já tínhamos a capacidade de conhecer a formação genética das bactérias 
antes da era genômica, por meio de outros métodos. Entre as principais metodologias, 
podemos citar a definição do tamanho do cromossomo e sua tipologia, do conteúdo 
de GC (guanina-citosina), da quantidade de dados genéticos móveis e acessórios 
(transposons e plasmídeos) e da configuração dos genes individuais. 
A configuração e o tamanho dos cromossomos bacterianos podem alterar 
conforme a espécie, tanto em genomas complexos de grande porte (como da 
Bradyrhizobium japonicum, com 9,1 milhões de pares por base ou pb), quanto em 
genomas de pequeno porte (como da Mycoplasma genitalium, com 580 mil pb). 
Mesmo considerando essa ampla margem, 90% dos genomas de bactérias 
possuem cerca de 5,5 milhões de pares por base. Tal diferença diz respeito à grande 
diversidade de espécies, estando intimamente relacionada com seus aspectos 
metabólicos, sua morfologia, seu hospedeiro e seu habitat. 
 
 
Segundo Chan, Sherman e Bourke (2016), a organização do material genético 
também pode mudar conforme a espécie. A título de exemplo, temos bactérias comcromossomo linear, como Streptomyces lividans e Borrelia burgdorferi e outras com 
cromossomo circular, como Escherichia coli e Staphyloccocus aureus. 
Mesmo com as diferenças estruturais nos cromossomos das bactérias, a 
replicação do DNA acontece de forma semelhante, com o mecanismo de síntese 
semiconservativo, ou seja, depois da duplicação, cada célula gerada terá uma 
molécula de DNA formada por duas fitas: uma recém-sintetizada e outra vinda da 
bactéria parental. Na imagem 3, podemos observar que o começo da duplicação do 
material genético nas bactérias consiste em três etapas: 
 
➢ Determinação da região onde acontecerá o começo da replicação (região OriC) 
por meio da proteína DnaA; 
➢ No local determinado para o começo, acontece o desenrolamento da fita de 
DNA; 
➢ Através da ação da DNA helicase, com o auxílio da DNA polimerase, temos a 
finalização da formação do que chamamos de “forquilha de replicação”. 
 
Imagem 3 – Começo da replicação de DNA nas células procariontes 
 
Fonte: https://iplogger.com/2STMG4 
 
Watson et al. (2015) afirma que a região OriC possui sequências muito 
conservadas entre as bactérias envolvidas, cujo tamanho pode variar de 200 a 1000 
pares por base. Tal região é rica em pares A-T (adenosina-timina) com uma função 
bidirecional, ficando perto do gene da proteína DnaA. 
A duplicação do DNA das bactérias acontece por meio da proteína DNA 
polimerase III, que se movimenta pela fita desenrolada pela DNA helicase. Conforme 
 
 
dito anteriormente, a duplicação é feita nas duas fitas de DNA através da adição 
sequencial de nucleotídeos por meio da complementaridade das bases, isto é, 
combinações de adenosina-timina e citocina-guanina. 
Tal duplicação acontece simultaneamente, o que significa que uma fita será 
replicada no sentido 5’-3’ e a outra será replicada de modo descontínuo, já que se 
encontra no sentido 3’-5’, um sentido antiparalelo. Para garantir esses processos 
simultâneos, a enzima primase começa a incluir pequenos fragmentos de RNA 
denominados primers, que permitirão o início da síntese dessa fita pela DNA 
polimerase III. 
No processo de replicação que acontece nas células procariontes, temos a 
formação de somente uma forquilha de replicação, que progride conforme novas fitas 
de DNA são sintetizadas. Essa etapa se encerra quando a forquilha chega na região 
de término, denominada TerC, que fica na extremidade oposta da OriC (cromossomos 
circulares) ou na extremidade final do DNA (cromossomos lineares). 
Com a replicação concluída, as bactérias recém-divididas precisam compactar 
o cromossomo que acabou de ser sintetizado. Nesse contexto, a molécula 
compactada se chama nucleoide, sendo constituída de DNA e NAPs (nucleoid-
associated protein ou “proteínas associadas ao nucleiode”). 
Os NAPs ficam associados ao DNA, possibilitando o acercamento de regiões 
distantes, no sentido topológico, da molécula, o que resulta na formação das alças 
que permitem a redução do tamanho do cromossomo em até dez vezes. Para encerrar 
a compactação, o cromossomo faz uma torção negativa sucessivamente. 
Os NAPs também são ativados na expressão gênica das bactérias através de 
um processo epigenético, não se resumindo à compactação do DNA. Com isso, 
quando o DNA relacionado a elas se aproxima, de modo espacial, no momento da 
compactação, os genes que possuem funções relacionadas ficam em regiões onde 
acontece muita síntese de RNAm (RNA mensageiro), que são chamadas de “fábricas 
de transcrição”. 
Em contrapartida, a falta de NAPs relacionadas ao DNA descompacta o 
cromossomo, ou seja, faz com que se apresente de modo relaxado, dificultando a 
transcrição de genes distantes. Resumidamente, a ação dos NAPs possibilita que os 
genes fiquem próximos às fábricas de transcrição em bactérias na fase exponencial 
de crescimento, possibilitando a expressão gênica. 
 
 
Em bactérias que ficam na fase estacionária, a descompactação do DNA na 
falta de NAPs acarreta redução da expressão gênica relacionada com o matebolismo 
das bactérias 
 
Imagem 4 – Coordenação epigenética da expressão dos genes bacterianos 
 
Fonte: Adaptado de Watson et al. (2015) 
 
O papel dos mecanismos sintênicos não se resume à regulação epigenética da 
expressão gênica feita pelas NAPs, também está relacionado com a coordenação da 
síntese de proteínas. Sendo assim, no sentido evolutivo, os genes que possuem uma 
função semelhante ou que expressam proteínas que são parte da mesma via 
metabólica se agrupam em regiões denominadas operons, que podem ser 
controladas por somente um sistema de regulação. 
Segundo Zaha, Ferreira e Passaglia (2014), o operon Lac é o mais popular 
dentre todos os sistemas de regulação, sendo capaz de coordenar a expressão de 
três genes sequenciais que fazem parte do metabolismo da lactose, sendo eles: 
 
➢ LacZ: sintetiza a enzima beta-galactosidase, que catalise a hidrólise da lactose 
nos dois monossacarídeos que a constitui: a galactose e a glicose. 
➢ LacY: responsável por codificar a permease, uma proteína transportadora de 
membrana que possibilita a entrada da lactose no interior da bactéria. 
➢ LacA: capaz de produzir a transacetilase, uma enzima que transfere 
grupamentos acetil para os açúcares. 
 
Para melhor compreesão desse processo, precisamos ter conhecimento sobre 
 
 
três fatores relacionados a esse gene, sendo eles o promotor, o operador e o 
repressor. Em relação ao promotor, podemos definí-lo como a sequência de DNA 
onde a RNA polimerase se liga para começar a produção de RNA mensageiro. Por 
sua vez, o operador consiste na sequência de DNA própria para a ligação da proteína 
repressora, que inibe a transcrição. Por fim, o repressor (ou proteína repressora) é 
produzida em outra proção do DNA a partir do gene Laci, sendo responsável por inibir 
a transcrição. 
Quando a lactose não está disponível no ambiente, o organismo bacteriano 
entende que não precisa produzir os genes próprios para seu metabolismo, fazendo 
com que a proteína repressora se ligue na sequência operadora, o que bloqueia a 
associação da RNA polimerase com o promotor. 
Quando a lactose está presente, ela irá se ligar à proteína repressora, 
acarretando uma alteração na sua conformação. Com isso, a proteína se desprende 
do operador, possibilitando a ligação da RNA polimerase na sequência promotora, 
produzindo o RNA mensageiro policistrônico, ou seja, um RNAm com os três genes 
das proteínas que integrarão o metabolismo da lactose. Com o metabolismo 
concluído, o repressor retorna para a sequência operadora, bloqueando a síntese de 
outros RNA mensageiro. 
Células procariontes não apresentam apenas cromossomos, elas também 
possuem plasmídeos que, como vimos na aula anterior, são estruturas circulares 
contendo genes com dados para sintetizar proteínas úteis para bactérias. A replicação 
dessas estruturas não dependem do cromossomo, no entanto, são dependentes das 
proteínas para serem replicados. 
Os plasmídeos variam em questão de tamanho, podendo ter porte pequeno 
(várias cópias na célula) ou até um tamanho maior (estando em menor número). A 
relevância biológica dessas estruturas se relaciona com a transferência horizontal e 
vertical (reprodução bacteriana), através de procedimentos de transferência genética, 
podendo ou não ser integrados ao cromossomo bacteriano com o auxílio da 
recombinação gênica. 
Dentre suas principais funções, os plasmídeos auxiliam as bactérias a sintetizar 
vários compostos virulentos, como pili de aderência, toxinas, hemolisinas, pili tipo IV, 
cápsula e sistemas de secreção tipo III. A maioria dos plasmídeos de virulência são 
de grande porte e contém uma sequência de DNA que pode ser separada em três 
 
 
módulos, contendo genes de virulência, genes de replicação e genes para 
transferência. 
Determinados plasmídeos são específicos de alguma espécie bacteriana, 
outros podem ser encontrados até mesmo emduas espécies distantes 
taxonomicamente, cumprindo uma função essencial na evolução do genoma 
bacteriano e na transferência horizontal. 
3.2 Mecanismos de transferência horizontal 
 
Fonte: https://iplogger.com/2S6EG4 
 
3.2.1 Transformação 
 
Se trata da transferência de moléculas de DNA (principalmente de plasmídeos) 
do meio extracelular para dentro da bactéria. Ela acontece através de proteínas 
específicas, em especial da família Com, capazes de transportar o material genético 
para o meio intracelular. Não são todas as espécies bacterianas que conseguem 
realizar esse procedimento, aquelas que conseguem são chamadas de bactérias 
competentes. Sendo mediado por diversas proteínas Com, o mecanismo mais 
conhecido acontece na bactéria Bacillus subtilis, separado em quatro fases: 
 
 
 
 
➢ O DNA externo é apanhado com o auxílio das proteínas ComG e ComEA que 
ficam na superfície da parede bacteriana; 
➢ Acontece a translocação do DNA através da proteína ComFA, do tipo DNA 
translocase; 
➢ Uma das fitas é degradada enquanto a outra fica protegida pelas proteínas 
RecA e pelas proteínas de ligação de DNA unifilamentar; 
➢ Por fim, temos a recombinação da fita resultante com o cromossomo 
bacteriano. 
 
3.2.2 Conjugação 
 
Basicamente, é a transferência direta de uma molécula de DNA entre bactérias, 
partindo de uma doadora para a receptora. O canal denominado pili F possibilita esse 
mecanismo, conectando o citoplasma de ambas as bactérias. Para que esse canal 
seja sintetizado, será necessário produzir proteínas codificadas pelo fator de 
fertilidade (fator F), que está presente nas bactérias tanto no DNA cromossômico 
quanto em plasmídeos. As bactérias doadoras são chamadas F+ (possuem fator F), 
enquanto as receptoras são chamadas F- (não possuem fator F). 
A transferência de DNA se inicia quando uma bactéria doadora se liga a uma 
receptora com o auxílio do pili F. Logo após, temos a duplicação do DNA que contém 
o fator F, no entanto, o DNA recém formado é cortado na região chamada OriT. Isso 
possibilita a continuidade da duplicação por meio de um processo denominado 
replicação por círculo rodante, onde a molécula linear formada é repassada para a 
receptora por meio do pili F. Depois disso, o DNA linear volta a ser circular na bactéria 
receptora que, com o processo concluído, passa a ser uma bactéria F-. 
 
3.2.3 Transdução 
 
Consiste em um mecanismo horizontal com a presença de vírus que afetam 
bactérias denominados bacteriófagos, que injetam seu material genético para o 
interior da célula bacteriana para fins de reprodução. 
Podemos separar a transdução em dois tipos: a generalizada e a especializada. 
A transdução generalizada ocorre por uma falha na formação de bacteriófagos 
dentro da bactéria. Com isso, um em cada 10 mil capsídeos podem capturar 
 
 
fragmentos inespecíficos de DNA cromossômico, sintetizados pela clivagem da 
molécula pelas enzimas virais, o que possibilita a transferência desse material 
genético para uma bactéria receptora. 
Já a transdução especializada se baseia na integração do DNA viral em 
determinadas porções do genoma da bactéria. Ocasionalmente, esse material 
genético inserido pode voltar a se comportar como DNA independente na fase lítica, 
onde novos capsídeos são formados e preenchidos por DNA viral. 
No entanto, tal atividade lítica pode ser sucedida por um mecanismo de 
recombinação, onde determinados genes que se encontram próximos do local que o 
vírus foi inserido podem ser incluídos no DNA cromossomal da bactéria. Sendo assim, 
tais genes podem ser inseridos no capsídeo quando acontecer a reorganização dos 
componentes do bacteriófago na fase lítica, podendo ser repassados para outra 
bactéria receptora. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
BROWN, T. Introduction to genetics: a molecular approach. New York: Garland 
Science, 2012. 
CHAN, V. L.; SHERMAN, P. M.; BOURKE, B. Bacterial genomes and infectious 
diseases. Totowa: Humana Press, 2016. 
JUSTINA, L. A. D.; MEGLHIORATTI, F. A.; CALDEIRA, A. M. A. A (re)construção de 
conceitos biológicos na formação inicial dos professores e proposição de um modelo 
explicativo para a relação genótipo e fenótipo. Revista Ensaio. v. 14, n. 3, p. 65-84, 
2012. 
PIERCE, B. A. Genetics: a conceptual approach. 7. ed. New York: W. H. Freeman, 
2019. 
SADAVA, D. et al. Life: the science of biology. 10. ed. New York: W. H. Freeman, 
2012. 
WATSON, J. D. et al. Biologia molecular do gene. 7. ed. Porto Alegre: Artmed, 2015. 
ZAHA, A.; FERREIRA, H. B.; PASSAGLIA, L. M. P. Biologia molecular básica. 5. 
ed. Porto Alegre: Artmed, 2014.