Genetica bacteriana

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Profa. Maxelle Martins Teixeira
GENÉTICA BACTERIANA
Genética Bacteriana
Introdução
 Características microbianas são controladas ou influenciadas pela
hereditariedade.
 Características hereditárias:
- forma e características estruturais,
- metabolismo,
- habilidade de mover,
- capacidade de interagir com outros organismos
Genética Bacteriana
Introdução
Transmissão das características à sua prole através dos genes;
 Resistencia Microbiana: várias formas, todas dependem da genética;
 Doenças emergentes: resultado da mudança genética em alguns
organismos
Ex: E. coli O157:H7 adquiriu os genes codificadores da Shiga (toxina da
Shigella).
Genética BacterianaIntrodução
GENÉTICA: ciência da hereditariedade
 estudo dos genes;
 como os genes transportam informações;
 como os genes são replicados e passados para as gerações subsequentes
ou transmitidos entre microrganismos;
 como a expressão da informação determina as características.
Genética Bacteriana
Introdução
 GENOMA: toda informação genética em uma célula.
- Genoma bacteriano: cromossomos e plasmídeos;
 CROMOSSOMOS: estruturas que transportam fisicamente a informação
hereditária; contêm os genes.
 GENE: segmento de DNA que codifica produtos funcionas (características);
Modelo da molécula do DNA : Watson & Crick (1953). 
ESTRUTURA DO DNA
Genética Bacteriana
• NUCLEOTÍDEOS:
Bases nitrogenadas ligadas por pontes
de hidrogênio
ESTRUTURA DO DNA
ESTRUTURA DO DNA
Quatro tipos de bases nitrogenadas pertencentes a dois grupos:
- bases púricas ou purinas: Adenina (A) e Guanina (G)
- bases pirimídicas ou pirimidinas: Citosina (C) e Timina (T)
A - T 
G - C 
Genética Bacteriana
 Pareamento específico de bases: sequência de uma fita
de DNA determina a sequência da outra fita;
 As duas fitas de DNA são complementares.
ESTRUTURA DO DNA
• Cada nucleotídeo é representado por uma letra (A, G, C, T ou U no RNA)
• Combinação de 3 nucleotídeos = códons
• Cada códon relaciona com 1 dos 20 tipos de aminoácidos que codificam
proteína.
ESTRUTURA DO DNA
CÓDIGO GENÉTICO
O conjunto de 64 códons leva o nome de código genético
• Mais de um códon sintetiza o
mesmo aminoácido "sinônimos".
• Metionina e Triptofano são
especificados por um único códon.
• Três códons não codificam AA: UAA,
UGA e UAG (terminação ou parada)
CÓDIGO GENÉTICO
Genética BacterianaESTRUTURA DO RNA
 Filamento único;
 A base URACILA (U) desempenha a função que a timina (T) tem no DNA (A-U).
• Três tipos de RNA principais:
1. RNA mensageiro (RNAm): transcrito do DNA;
2. RNA ribossômicos (RNAr): 50% da massa do ribossomo (os outros 50% são
proteínas)  estrutura que proporciona apoio a síntese proteica.
3. RNA transportador (RNAt) identificam e transportam os aminoácidos até o
ribossomo.
Genética BacterianaTRANSCRIÇÃO DO DNA
 Para que um gene seja codificado em proteína: 
- DNA é transcrito (RNA mensageiro)  migra para os ribossomos  traduzidos na
estrutura de aminoácidos com auxílio do RNA transportador
"DOGMA CENTRAL"
Genética BacterianaTRANSCRIÇÃO DO DNA
TRANSCRIÇÃO DO DNA
TRADUÇÃO DO DNA
• Células eucarióticas, a transcrição acontece no núcleo;
- O mRNA precisa ser completamente sintetizado, processado (ex. remoção de
introns) e transportado para o citoplasma para iniciar a tradução.
• Células procarióticas (não possui núcleo): mRNA é produzido no citoplasma;
- A tradução do mRNA pode começar antes da transcrição finalizar: os códons de
iniciação que estão sendo transcritos estão disponíveis aos ribossomos antes que a
molécula integral de mRNA seja feita.
TRADUÇÃO DO DNA
GENÓTIPO E FENÓTIPO
GENÓTIPO
- Coleção de genes de um organismo
(todo o seu DNA).
- Informação que codifica todas as
características do organismo.
- Representa propriedades potenciais,
mas não as propriedades em si.
FENÓTIPO
- Coleção de proteínas codificadas
- É a manifestação do genótipo;
- Propriedades reais, expressas;
GENÓTIPO E FENÓTIPO
• Propriedades de uma célula deriva das proteínas;
• Nos micróbios, a maioria das proteínas é enzima (catalisa reações) ou estrutural
(participa em complexos funcionais - membranas ou flagelos);
• Fenótipos que dependem de outras moléculas estruturais (como os lipídeos ou
polissacarídeos) baseiam-se indiretamente nas proteínas.
- Ex. a estrutura de uma molécula de lipídeo ou polissacarídeo resulta das
atividades catalíticas das enzimas.
Portanto, os fenótipos são dependentes de proteínas.
Genética Bacteriana
 A molécula de DNA pode ser linear ou circular;
 DNA linear – eucariotos;
 DNA circular - procariotos, mitocondrial e cloroplastos
DNA E CROMOSSOMOS
Genética Bacteriana
CROMOSSOMOS BACTERIANOS
• Fita dupla helicoidal;
• Circular único: única molécula circular de DNA com proteínas associadas;
• Recurvado e dobrado;
• Aderido à membrana plasmática em um ou vários pontos;
DNA E CROMOSSOMOS
Genética Bacteriana
Genoma da Escherichia coli:
– 4,6 milhões pares de bases;
– 1 mm comprimento (1000x maior que a célula);
– Ocupa 10% do volume da célula;
Como o DNA pode caber dentro da célula???
Compactado e superenrolado
DNA E CROMOSSOMOS
REPLICAÇÃO DO DNA BACTERIANO
 Possibilita o fluxo de informação genética de uma geração para a seguinte;
 Antes da divisão celular, cada molécula de DNA deve gerar outra molécula de DNA
idêntica (replicação) para que ambas sejam repartidas nas duas células-filhas;
 Para formação de 02 moléculas de DNA a partir
de uma  separação da dupla hélice,
 Cada fita é utilizadas como modelo para a
construção das cadeias complementares.
 As cadeias novas ficam unidas a cadeias
modelo, formado 02 novas duplas hélices de DNA
idênticas à anterior.
REPLICAÇÃO DO DNA BACTERIANO
REPLICAÇÃO DO DNA BACTERIANO
 Após síntese completa, a molécula filha contém um filamento original e um
filamento recém-sintetizado  REPLICAÇÃO SEMICONSERVATIVA.
 Sintetizado na direção 5’-3' e utiliza como modelo uma cadeia de DNA
preexistente.
 Início da replicação: desenovelada pela topoisomerase ou girasse;
 A dupla fita é separadas pela helicase em um pequeno segmento de DNA
(origem de replicação) formando um forquilha de replicação.
REPLICAÇÃO DO DNA BACTERIANO
 Nucleotídeos livres no citoplasma da célula são pareados complementarmente com
as bases expostas da forquilha por ação da enzima DNA POLIMERASE.
REPLICAÇÃO DO DNA BACTERIANO
 Replicação segue bidirecionalmente ao
redor do cromossomo: as forquilhas movem-
se em direções opostas;
 Cromossomo bacteriano é um círculo: as
forquilhas se encontrarão quando a
replicação está completada;
 As duas alças são separadas por uma
topoisomerase.
REPLICAÇÃO DO DNA BACTERIANO
• A DNA polimerase necessita de uma extremidade 3' para colocar o primeiro
nucleotídeo.
• Uma RNA polimerase (DNA primase) gera um curto RNA (10 nucleotídeos), chamado
PRIMER (ou iniciador).
REPLICAÇÃO DO DNA BACTERIANO
DIFERENÇA NA SÍNTESE DAS NOVAS CADEIAS
• A cadeia que cresce na direção 5‘-3' (cadeia
progenitora 3’-5’) se constrói por agregação
contínua de nucleotídeos;
• A cadeia que usa como modelo a cadeia
progenitora 5'-3' é sintetizada de maneira
descontínua,
- São construídos pequenos fragmentos de DNA -
fragmentos de Okazaki - que ligam entre si à
medida que vão se formando (DNA ligase) .
REPLICAÇÃO DO DNA BACTERIANO
Processo surpreendentemente acurado; 
• Erros cometidos em uma taxa de somente 1 em cada 1010 bases incorporadas;
• Capacidade de correção da DNA-polimerase;
• À medida que cada baseé adicionada, a enzima avalia se o pareamento está
correto;
• Caso contrário, a enzima remove a base inapropriada e a substitui pela correta;
REPLICAÇÃO DO DNA BACTERIANO
Após duplicação do DNA, ocorre a divisão celular e cada célula filha recebe
um cromossomo idêntico ao da célula mãe
REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA BACTERIANA
Mecanismos para prevenir a síntese de enzimas que não são necessárias
• Genes (transcrição e tradução)  síntese das proteínas;
• Síntese de proteínas requer um gasto alto de energia,
• Regulação da síntese proteica é importante para a economia energética da cel;
• A célula conserva energia produzindo somente proteínas necessárias em um
momento especifico.
REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA BACTERIANA
• Muitos genes (60 a 80%) são constitutivos: não são regulados; são
constantemente produzidos em uma velocidade fixa;
• Genes constitutivos: codificam as enzimas que a célula necessita em grandes
quantidades para seus processos vitais; Ex. enzimas da glicólise ;
• A produção de outras enzimas é regulada de modo que elas estejam presentes
somente quando necessário.
• Dois mecanismos de controle regulam a transcrição do mRNA e,
consequentemente, a síntese de enzimas:
 REPRESSÃO;
 INDUÇÃO.
REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA BACTERIANA
REPRESSÃO
 Inibe a expressão gênica e inibe a síntese de proteínas;
 Regulada por proteínas repressoras que bloqueiam a capacidade de
RNA-polimerase em iniciar a transcrição do gene reprimido.
REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA BACTERIANA
INDUÇÃO
• Ativa a transcrição de um gene ou genes;
• Substância que induz a transcrição do gene  indutor;
Ex. Metabolismo da lactose pela E. coli
o E. coli no meio ausente de lactose  quase não tem β-galactosidase;
o Lactose adicionada ao meio  produz grande quantidade da enzima;
o A lactose é convertida em alolactose (pela cel)  indutor do gene da β-
galactosidase
REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA BACTERIANA
 OPERON
• A expressão gênica é representada pelo MODELO OPERON;
• Modelo para explicar a regulação da síntese proteica;
• Baseado em estudos das enzimas do catabolismo da lactose:
- β-galactosidase: degrada lactose
- Lac permease: transporte da lactose para dentro da célula;
- Transacetilase: metaboliza outros dissacarídeos
REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA BACTERIANA
OPERON
• Os genes para as três enzimas envolvidas no metabolismo da lactose estão em
sequencia no cromossomo bacteriano e são regulados em conjunto;
• Denominados genes estruturais lac;
• Quando a lactose é adicionada ao
meio, os genes estruturais são
transcrito e traduzidos rápido e
simultaneamente
REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA BACTERIANA
OPERON
• Região de controle dos genes lac: dois segmentos curtos de DNA
- Promotor: RNA polimerase inicia a transcrição;
- Operador (semáforo): sinaliza parar ou
prosseguir com a transcrição dos genes
estruturais
OPERON: promotor + operador + genes
estruturais
REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA BACTERIANA
OPERON
• Um gene regulador (gene I) codifica uma
proteína repressora que torna o operon
(indutíveis ou repressíveis) ligado ou desligado;
- Ausência da lactose: proteína repressora liga ao
operador impedindo transcrição;
- Presença da lactose: repressor liga ao
alolactose (indutor) e as enzimas são transcritas.
REGULAÇÃO DA EXPRESSÃO GÊNICA BACTERIANA
 TRANSFERENCIA VERTICAL: genes são passados de um organismo para seus
decendentes (Bactérias, plantas e animais);
 TRANSFERENCIA HORIZONTAL: genes passados de um microrganismos para
outros micróbios da mesma geração.
TRANSFERÊNCIA DE DNA
TRANSFERENCIA VERTICAL:
 Célula doadora e célula receptora;
 Parte do DNA doado é incorporado ao DNA receptor;
 Célula receptora: célula recombinante;
 Evento pouco frenquenta ≤ 1% de toda uma população.
TRANSFERÊNCIA DE DNA
Genética Bacteriana
Elementos responsáveis pela transferência:
 PLASMÍDIOS
 TRANSPOSONS
 BACTERIÓFAGOS
TRANSFERÊNCIA DE DNA
TRANSFERÊNCIA DE DNA
 PLASMÍDEOS:
 Fragmentos de DNA extracromossomais autorreplicantes;
TRANSFERÊNCIA DE DNA
 PLASMÍDEOS:
 Fragmentos de DNA extracromossomais autorreplicantes;
 DNA fita dupla circular contendo genes;
TRANSFERÊNCIA DE DNA
 PLASMÍDEOS:
 Fragmentos de DNA extracromossomais autorreplicantes;
 DNA fita dupla circular contendo genes;
Contém 1 a 5% do tamanho do cromossomo bacteriano;
TRANSFERÊNCIA DE DNA
 PLASMÍDEOS:
 Fragmentos de DNA extracromossomais autorreplicantes;
 DNA fita dupla circular contendo genes;
Contém 1 a 5% do tamanho do cromossomo bacteriano;
 Podem ser transferidos para outros microrganismos;
TRANSFERÊNCIA DE DNA
 PLASMÍDEOS:
 Fragmentos de DNA extracromossomais autorreplicantes;
 DNA fita dupla circular contendo genes;
Contém 1 a 5% do tamanho do cromossomo bacteriano;
 Podem ser transferidos para outros microrganismos;
 Encontrados principalmente em bactérias, mas presente
em alguns eucariotos, como Saccharomyces cerevisiae.
Genética Bacteriana
 PLASMÍDEOS:
 Transportam 5 a 100 genes não essenciais para o crescimento da célula;
 O número pode variar desde uma única cópia até centenas (por célula).
TRANSFERÊNCIA DE DNA
Genética Bacteriana
 PLASMÍDEOS:
A replicação pode ocorrer:
1) Quando a célula bacteriana se divide;
2) Durante o processo de conjugação.
TRANSFERÊNCIA DE DNA
Propriedades
a. Plasmídeos conjugativos
Medeiam a conjugação. Geralmente grandes e têm
todos os genes necessários à sua autoreplicação e
transferência (ex. genes para pilus sexual).
TRANSFERÊNCIA DE DNA
Propriedades
a. Plasmídeos conjugativos
Medeiam a conjugação. Geralmente grandes e têm
todos os genes necessários à sua autoreplicação e
transferência (ex. genes para pilus sexual).
b. Plasmídeos não-conjugativos
Não medeiam a conjugação. São normalmente menores e
pode ser transferido por conjugação se a célula já abriga um
plasmídeo conjugativo.
TRANSFERÊNCIA DE DNA
Genética Bacteriana
 PLASMÍDEOS:
• Embora dispensáveis, podem conferir vantagens
 PLASMÍDEOS DE DISSIMILAÇÃO: codificam enzimas que catabolizam certos
açúcares e hidrocarbonetos incomuns.
 Espécies de Pseudomonas utilizam tolueno ou hidrocarbonetos como fontes principais de
Carbono e energia.
- Possuem enzimas catabólicas codificadas por genes plasmidiais.
- Permitem a sobrevivência em ambientes muito diversos e desafiadores.
TRANSFERÊNCIA DE DNA
Genética Bacteriana
 PLASMÍDEOS:
 PLASMÍDEOS QUE AUMENTAM A PATOGENICIDADE:
 A linhagem de E. coli que causa a diarreia infantil e a diarreia do viajante
transporta plasmídeos que codificam a produção de toxinas e a fixação
bacteriana às células intestinais.
 Outras toxinas codificadas por plasmídeos: toxina esfoliativa do Staphylococcus
aureus, a Neurotoxina do Clostridium tetani.
TRANSFERÊNCIA DE DNA
 PLASMÍDEOS:
 Fatores R (fatores de resistência): Conjugativos.
Transportam genes de resistência a antibióticos,
metais pesados ou toxinas celulares.
• Contêm dois grupos de genes:
1) Fator de transferência de resistência (FTR):
genes para replicação do plasmídeo e
conjugação.
2) Determinante-r: genes de resistência; codifica
enzimas que inativam certas drogas ou substâncias
tóxicas
Plasmídeo de resistência R100: genes de R para
sulfonamidas, estreptomicina, cloranfenicol e
tetraciclina, bem como para resistência ao mercúrio.
Esse plasmídeo pode ser transferido entre espécies
entéricas (Escherichia, Klebsiella e Salmonella).
TRANSFERÊNCIA DE DNA
 TRANSPOSONS
 Pequenos segmentos de DNA que podem se mover de
um localpara outro no mesmo cromossomo, ou para
outro cromossomo ou plasmídeo.
O movimento frequente dentro da célula poderia ter um
efeito devastador: podem se inserir dentro dos genes
tornando-os inativos.
 A ocorrência da transposição é relativamente rara.
TRANSFERÊNCIA DE DNA
 TRANSPOSONS
 Contêm a informação para sua própria transposição;
 Transposons simples  sequências de inserção (SI):
Contêm um gene que codifica a enzima transposase (catalisa a clivagem e a remontagem) e
sítios de reconhecimento.
 Sítios de reconhecimento: sequências curtas repetidas e invertidas, que a enzima
reconhece como sítios de recombinação entre o transposon e o cromossomo.
TRANSFERÊNCIA DE DNA
Genética Bacteriana
 TRANSPOSONS
 Transposons complexos: transportam
também outros genes não conectados ao
processo de transposição.
Ex. podem conter genes para enterotoxinas ou
para a resistência a antibióticos.
TRANSFERÊNCIA DE DNA
Genética Bacteriana
TRANSFERÊNCIA DE DNA
 BACTERIÓFAGO
 Fago: vírus que infecta bactérias;
 Utilizam matéria-prima da bactéria hospedeira para se reproduzir.
 Transporta genes de uma bactéria para outra.
Mecanismos de transferência de genes
Transformação
Transdução
Conjugação
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
5’
Transformação
• DNA livre no meio é captado por uma célula receptora.
• Na natureza, algumas bactérias, após a morte e lise celular, liberam o
DNA no ambiente.
• Outras bactérias podem encontrar o DNA e captar fragmentos do
DNA e os integrar em seus próprios cromossomos por
recombinação.
5’
•Uma célula receptora com essa nova
combinação de genes é um tipo de híbrido,
ou célula recombinante.
• Todos os descendentes desta célula
recombinante serão idênticos a ela.
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
Transformação
5’
• O DNA da cel doadora deve passar através da
parede e da membrana celular do receptor.;
• Célula em estado competente: estado fisiológico
em que pode captar o DNA doador;
• A competência resulta de alterações na parede
celular, tornando-a permeável a moléculas
grandes de DNA.
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
Transformação
5’
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
Transformação
 Conjugação
o Mediada por plasmídeos conjugativos,
o Difere da transformação em dois aspectos principais:
1) Requer o contato direto célula a célula.
2) Células em conjugação devem ser de tipos opostos de acasalamento;
- Células doadoras devem transportar o plasmídeo,
- Células receptoras normalmente não tem plasmídeo
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
 Conjugação
Na E. coli,
Fator F (fator de fertilidade): 1º plasmídeo observado a ser transferido entre as células na
conjugação.
Doadores com fatores F (células F+) transferem o plasmídeo aos receptores (células F–),
tornam-se células F+.
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
 Conjugação
Em algumas células F+, o fator se integra ao cromossomo, convertendo a célula
F+ em uma célula Hfr (alta frequência de recombinação, de High Frequency of
recombination)
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
 Conjugação
Conjugação ocorre entre uma célula Hfr e uma célula F–: parte do cromossomo da
célula Hfr (c/ fator F integrado) se replica, e uma fita parental é transferida para a
célula F-
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
 Conjugação
• A replicação do cromossomo Hfr se inicia no meio do fator F integrado, e um
pequeno fragmento do fator F é conduzido para a célula F–.
• Uma vez dentro da célula receptora, o DNA doador pode se recombinar com o
DNA receptor
• Uma célula F– pode adquirir novos genes cromossômicos pela conjugação Hfr,
contudo, ela permanece uma célula F–, pois não recebeu um fator F completo
durante a conjugação.
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
 Conjugação
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
5’3’
Transdução
• O DNA bacteriano é transferido de uma
célula doadora para uma receptora
dentro do bacteriófago (fago)
• Fagos levam DNA bacteriano no lugar
do DNA viral
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
5’3’
Transdução
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
5’3’
Transdução Especializada
• Mediada por fago lisogênico, que
empacota o DNA bacteriano junto
com seu próprio DNA no mesmo
capsídeo.
• Quando o profago é excisado do
cromossomo bacteriano, genes
adjacentes de ambos os lados
podem permanecer ligados ao
DNA do fago.
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES
5’3’
Transdução
MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE GENES