BASES FÍSICAS DA HEREDITARIEDADE (6)

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BASES FÍSICAS DA HEREDITARIEDADE
Thereza Cristina Calmon de Bittencourt
calmon@ufba.br
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Introdução
O que é genética?
A genética é o ramo da biologia responsável pelo estudo  da hereditariedade e de tudo o que esteja relacionado com a mesma.
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Hereditariedade
É o fenômeno que corresponde a transmissão de características dos ascendentes para os descendentes.
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Variação
Por que existem indivíduos diferentes dentro de uma mesma espécie? A que se deve este fenômeno? Como se explica esta variação?
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Todo ser vivo consiste de células, nas quais está situado o material hereditário.
 O número de células de um organismo pode variar de uma a muitos milhões. 
 Estas células podem apresentar-se nos mais variados tipos, nos organismos pluricelulares.
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História da hereditariedade
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História da hereditariedade
Pangênese: Hipócrates, aproximadamente 410 anos a.C.
cada órgão do corpo produziria um material hereditário específico: as gêmulas. Estas se agregariam, e tal conjunto seria, então, encaminhado ao sêmen, transmitindo as características paternas ao futuro filho. Foi este mesmo filósofo o precursor da teoria dos caracteres adquiridos, futuramente adotado por Lamarck.
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História da hereditariedade
Aristóteles (384-322 a.C)
Descreveu quatro tipos de reprodução entre os seres vivos: 
a reprodução assexuada por brotamento
a reprodução sexuada por cópula
a reprodução sexuada sem cópula
a geração espontânea ou abiogênese.
Defendia a existência de substâncias responsáveis pela hereditariedade.
Base física da hereditariedade no sêmen produzido pelos pais. O termo "sêmen" foi usado por Aristóteles com o sentido de semente. Atualmente, o termo correspondente seria gametas, cujo papel na reprodução só foi estabelecido em meados do século XIX.
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História da hereditariedade
Em 1667, Leeuwenhoek descobriu a presença do espermatozoide no sêmen, associando ele à formação dos seres vivos. 
Hipótese pré-formista.
considerava a existência de um ser pré-formado no sêmen
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História da hereditariedade
no século XIX, com avanços na área da microscopia, percebeu-se que óvulos e espermatozoides, fecundados, davam origem a novos indivíduos. 
Gregor Mendel foi capaz de reconhecer a segregação independente; propiciando o surgimento da Genética moderna e a consolidação da teoria cromossômica da herança
A partir da década de 40, novas descobertas foram feitas: a influência do DNA como responsável pela transmissão de caracteres hereditários e sua dupla hélice; o código genético; e a capacidade de se isolar e transplantar genes.
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Natureza do Material Genético
O primeiro passo para identificar o material genético foi descobrir em que local da célula ele ocorre  Núcleo  Cromossomos
Partindo da premissa de que o material genético está localizado nos cromossomos, o segundo passo foi descobrir qual a sua constituição química, que deve ser suficientemente complexa para codificar um grande número de informações.
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Descoberta do DNA
O DNA foi descoberto Johann Friedrich Miescher, bioquímico alemão em 1869. A descoberta aconteceu por meio da análise do núcleo de células vindas dos glóbulos brancos. O estudo era feito com pus de feridas. 
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Experimento de Griffith
Frederick Griffith, especialista em microbiologia. Nasceu em 1881 e faleceu em 1941, foi o primeiro a fazer experimentos em busca de encontrar o material genético. Primeiro indício de que o DNA era portador da informação genética. Descobriu o Princípio Genético da Transformação em 1928.
Transformação é uma maneira de recombinação, troca ou transferência de informação genética entre organismos  ou de um organismo para o outro, ocorrendo em vírus, mas não em todas as espécies de bactérias, seu interesse  era a bactéria que causava pneumonia Streptococus pneumoniae.
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Experimento de Griffith
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Experimento de Griffith
Etapas da realização de seu experimeto:
I- Isolou  várias linhagens diferentes de S. Pneumoniae (tipo I,II,III, etc)
S: Smoth: Formas virulentas (causadoras da doença): bactéria circundada por uma capa de polissacarídeo, que faz  com que a colônia de bactérias se apresente lisa quando cultivadas em uma placa de ágar.
R: Rough:Formas não virulentas: Mutação das formas virulentas, não tinham capa de polissacarídeo e produziam  uma colônia rugosa em uma placa de ágar.
 
Griffith estava interessado nas origens de linhagens diferentes de S. Pneumonia e por que alguns tipos eram  virulentos e outros não.
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Experimento de Griffith
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Natureza do Material Genético
Avery, MacLeod e McCarty - Resultados Publicados em 1944 deram evidências conclusivas que o principio transformante estava no DNA. 
Exceções: Alguns vírus, como o TMV, apresentam o material genético constituído de RNA.
Março de 1953, James Watson e Francis Crick descobriram a estrutura do DNA. Com o tempo e com mais pesquisas se chegou no nome atual, ácido desoxirribonucleico. Vídeo 3 
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Composição Química dos Ácidos Nucléicos 
1. DNA
DNA  é a sigla para ácido desoxirribonucléico, que é um composto orgânico cujas moléculas contêm as instruções genéticas que coordenam o desenvolvimento e funcionamento de todos os seres vivos e de alguns vírus.
O principal papel do DNA é armazenar as informações necessárias para a construção das proteínas e RNA.
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Composição Química dos Ácidos Nucléicos 
1. DNA
O DNA se encontra no núcleo das células de um organismo, no interior dos cromossomos, menos nas hemáceas (glóbulos vermelhos), que não possuem núcleo.
Existe também o DNA mitocondrial, que não se encontra no núcleo das células, e sim na mitocôndria. O material genético mitocondrial é herdado exclusivamente da parte materna.
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O que é DNA?
Vídeo 4
Vídeo 5
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ÁCIDOS NUCLÉICOS: ESTRUTURA QUÍMICA
A estrutura química dos ácidos nucléicos é simples e não varia nos diversos organismos. Os ácidos nucléicos consistem de sequências de nucleotídios, formado por: uma base nitrogenada, que pode ser uma purina (adenina ou guanina) ou uma pirimidina (timina ou citosina, no DNA; uracil ou citosina, no RNA); uma pentose (desoxirribose, no DNA; ribose, no RNA); um grupo fosfato (PO4.). 
 O conjunto de base + açúcar denomina-se nucleosídeo, chamando-se nucleotídio ao conjunto de base + açúcar + fosfato.
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O que é DNA?
O DNA consiste de dois filamentos cada um dos quais é composto de monômeros, chamados nucleotídeos:
Desorribose
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Bases Nitrogenadas
Purinas
Pirimidinas 
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Dogma da Genética
Em 1953, J. D. Watson e F. C. Crick propuseram o seguinte modelo para a estrutura molecular do DNA: (a) a molécula de DNA é um longa cadeia de nucleotídios, formando uma configuração semelhante a uma escada de corda, enrolada helicoidalmente; (b) nessa escada, o açúcar e o fosfato são os componentes verticais (corrimões) e as bases nitrogenadas são os degraus: para que estes se formem, as ligações entre as bases são feitas por pontes de hidrogénio, sendo duplas entre as bases adenina e timina, e triplas entre guanina e citosina; 
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Bases Nitrogenadas
pontes de hidrogênio
comprimento do DNA medido em pares de bases.1 kb = 1000 bases
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(c) este modelo também requer que as duas cadeias polinucleotídicas sejam antiparalelas, isto é, corram em direções opostas: uma corre na direção 5' - 3', enquanto a outra na 3' - 5', 
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Os nucleotídeos são unidos por ligações fosfodiéster entre o fosfato ligado ao carbono 5’ de um nucleotídeo com a OH ligada ao carbono 3’ do nucleotídeo adjacente. Um filamento de DNA tem um fosfato 5’ em uma extremidade e uma OH 3’ wm outra
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DNA
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Composição Química dos Ácidos Nucléicos 
2. RNA
O RNA é semelhante ao DNA, porém, difere em alguns aspectos: 
• O açúcar é uma ribose; 
		• Em vez de timina, têm-se uracila; 
		• Geralmente se apresenta em fita
única.
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Composição Química dos Ácidos Nucléicos 
2. RNA
O RNA é semelhante ao DNA, porém, difere em alguns aspectos: 
• O açúcar é uma ribose; 
		• Em vez de timina, têm-se uracila; 
		• Geralmente se apresenta em fita única.
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Composição Química dos Ácidos Nucléicos 
 2.1 – RNA mensageiro 
É responsável pelo transporte da informação genética contida no núcleo até o citoplasma no qual ocorre a síntese protéica.
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Composição Química dos Ácidos Nucléicos 
 2.2 – RNA ribossômico 
O RNA ribossômico se associa com proteínas ribossômicas que são transportadas para o citoplasma com a função de síntese protéica.
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Composição Química dos Ácidos Nucléicos 
 2.3 – RNA transportador São moléculas de RNA que servem como receptores e transportadores de aminoácidos, tendo papel fundamental na síntese protéica.
Vídeo 4
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Funções do Material Genético
Replicação do DNA 
A molécula não é replicada como um todo (replicação semi conservativa), ao contrário, as pontes de hidrogênio se rompem, permitindo que haja replicação. (vídeo 5) (vídeo 6) 
A formação de de cada novo filamento pela adição de nucleotídeos é completada com auxílio da enzima DNA polimerase. Essa enzima só adiciona à extremidade 3’ de um filamento em crescimento. 5’ 3’
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Funções do Material Genético
Replicação do DNA 
 Um filamento é sintetizado de maneira contínua e outro é montado em pequenos segmentos (fragmentos de okazaki) que posteiormente serão emendados pela DNA ligase
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DNA nuclear
Procariontes: DNA é livre
Eucariontes: DNA dentro do núcleo
DNA + histonas + proteínas não histonas = cromatina 
cromatina condensada durante a divisão celular (cromossomos).
Genoma: conjunto do material genético que caracteriza um determinado indivíduo. 
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DNA nuclear
Genoma: quantidade de DNA contida em diferentes genomas é variável. A distribuição do DNA em cromossomos também é variável. 
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DNA nuclear
As sequencias de bases de DNA que contem mensagem genética são denominadas eucromatina. Nessa região o DNA é menos condensado.
Intercalada a eucromatina existem grandes regiões de sequencias de DNA que não codificam, que frequentemente são repetitivas, a heterocromatina
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DNA nuclear
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Genes
Genes são segmentos de DNA que traduzem em fenótipo a mensagem que transportam em código. 
Definição molecular: sequência completa de nucleotídeos necessária e suficiente para a síntese de um polipeptídeo ou de uma molécula de RNA estável. 
Essa tradução se inicia com os genes servindo como molde para a sintese de RNAm. Para cada um dos 20 aminoácidos existe pelo menos um trinca de bases específicas (código genético). 
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Genes
Jacob e Monod (1961) revolucionaram a compreensão da função e regulação gênicas com o modelo do operon lac. “Os genes deviam ser ativados, podendo encontrar-se, portanto, em estado inativo na célula” (cf. Keller, 2002). 
Distinção entre os genes estruturais e os genes regulatórios. O DNA apresenta, além de genes, regiões regulatórias que não são transcritas, mas estão relacionadas à regulação da transcrição (cf. Falk, 1986; Fogle, 1990; Keller, 2002).
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Genes
Composição: 
 Regiões reguladoras (promotor, terminador,...) 
	Região Codificadora	
	 		
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O operon lac é encontrado em algumas bactérias entéricas como a Escherichia coli, e inclui três genes adjacentes e três sequências regulatórias, um promotor, um terminador e um operador. Entre os fatores que regulam o operon lac, temos a disponibilidade de lactose
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.O mecanismo de regulação do operon envolve uma proteína regulatória denominada “repressor lac”, que inativa a síntese de RNAs que codificam para enzimas que cumprem diferentes papéis no processo de digestão da lactose. O gene que codifica o repressor encontra-se próximo ao operon lac, mas em outra região do DNA, e é sempre expresso. Se não há lactose no meio em que vive a bactéria, o repressor se mantém fortemente ligado ao operador e inibe a síntese das enzimas envolvidas na digestão da lactose. Se a bactéria cresce na presença de lactose, um metabólito da lactose, chamado de alolactose, liga se ao repressor, causando uma mudança em sua forma, o que impede que ele se ligue ao operador. Assim, as enzimas envolvidas na digestão da lactose são produzidas.
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Íntrons 
Éxons
DNA
RNAm
RNA inicial
remoção dos íntrons por enzimas
Genes
citoplasma
Núcleo
proteínas
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Dna Mitocondrial
Nas mitocôndrias existe um segundo genoma., bem menor que o nuclear (com cerca de 15 a 17kb). É uma molécula circular que codifica cerca de 13 polipeptídeos , todos pertencentes à cadeia respiratória da mitocôndria, essencial para o metabolismo aeróbico. Esse genoma é muito compacto e não contém íntrons. 
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Dna Mitocondrial
Possui genoma haplóide, por ser apenas de origem materna, não havendo recombinação, pois se acredita que as mitocôndrias dos espermatozóides são destruídas pelo gameta feminino (óvulo) após a fecundação. Possui também uma região não codificadora que, aparentemente, controla a replicação  e transcrição do mtDNA. Quando comparada com o genoma nuclear, possui uma alta taxa evolutiva (substituições de base). Sendo assim, tem sido muito usado em estudos evolutivos para a investigação de linhagens antigas.
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Dna palindrômico
Sequencias repetitivas e espalhadas pelo genoma onde a sequencia de bases é a mesma , tanto quando lida de um lado para outro como inversamente, a partir de um eixo de simetria. 
c
T
G
A
G
T
A
T
T
A
A
C
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SÍNTESE DE PROTEÍNAS
Os genes são formados de DNA, o qual contém a informação genética, que consiste de uma sequência de nucleotídeos que determinam a sequência de aminoácidos que se ligam para formar um polipeptídio, e depois a proteína funcionante, que irá determinar o fenótipo. O número de proteínas de um organismo é muito grande, mas elas podem ser agrupadas de acordo com sua função.
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a) Proteínas estruturais - são responsáveis pela forma dos organismos, pois são elas que constroem as paredes celulares e as membranas nucleares, fazendo parte, ainda, do conteúdo citoplasmático e de suas organelas. 
 b) Enzimas - são proteínas especializadas na catálise de reações biológicas. Elas apresentam uma extraordinária especificidade e estão envolvidas nas atividades metabólicas celulares, controlando toda a fisiologia do organismo. 
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c) Anticorpos - são proteínas responsáveis pela defesa do organismo. Sua função é eliminar estruturas protéicas estranhas ao organismo, desempenhando, portanto, um papel importante nas infecções e nos transplantes. 
 d) Hormônios - são proteínas formadas em órgãos específicos, reguladas geneticamente e transportadas pelo sangue para outras regiões do organismo, com a finalidade de regular o seu funcionamento normal
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O CÓDIGO GENÉTICO
O código para formação dos diferentes tipos de proteínas que o organismo deve formar ao longo de sua vida está contido na célula-ovo de cada indivíduo.
 Todas as células de um determinado organismo, num dado momento de sua vida, contêm o mesmo código ou informação genética daquela primeira célula, porém nem todos os genes estão funcionando em todas as células ao mesmo tempo e com a mesma intensidade. 
 Existem quatro tipos diferentes de nucleotídios no DNA, de acordo com a base nitrogenada que possuem (guanina, adenina, timina, citosina).
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Três bases nitrogenadas adjacentes codificam um aminoácido e formam a unidade de informação genética ou códon. Assim, o código genético é lido em trincas.
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ETAPAS DA SÍNTESE PROTEICA
Transcrição: DNA RNAm
A molécula do DNA consiste numa cadeia dupla de nucleotídeos. Para formar RNAm, a molécula se abre no sentido longitudinal pela quebra das pontes de hidrogênio, deixando livres os terminais das bases.
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ETAPAS DA SÍNTESE PROTEICA
Os nucleotídeos
do RNAm pareiam-se com os do DNA, obedecendo à mesma especificidade no pareamento das bases:
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ETAPAS DA SÍNTESE PROTEICA
A nova cadeia que se forma usando um dos filamentos do DNA como molde é o RNAm. 
A molécula deste ácido nucléico leva o código do DNA (a mensagem) até os ribossomos, no citoplasma. 
A transcrição de um gene inclui o sítio promotor, o gene propriamente dito e a trinca de terminação.
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Transcrição reversa: RNA DNA
Certos vírus de RNA são capazes de reverter o fluxo no processo normal de informação do DNA para o RNA. 
 Este processo é feito graças à enzima transcríptase reversa, que é capaz de sintetizar uma cadeia dupla de DNA, copiando o RNA do cromossomo viral. 
O DNA é chamado de provírus e é incorporado no DNA do hospedeiro, durante o ciclo vital do vírus
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Tradução: RNAm cadeia polipeptídica
A tradução é o segundo evento na transferência da informação do gene estrutural do DNA para a sequência de aminoácidos de um polipeptídio. 
 O comando central para a determinação da estrutura específica das proteínas é executado pelo DNA.
A região deste que é responsável pela estrutura de uma cadeia polipeptídica. é denominada cístron
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Como se dá a síntese de proteínas? 
1)O RNAm leva a mensagem copiada do DNA até os ribossomos. 
2) O RNAt transporta os aminoácidos ativados até os ribossomos, organizando-os segundo a sequência de nucleotídeos contida no RNAm e que foi transcrita do DNA. Cada aminoácido liga-se a um RNAt específico, que é identificado pelo seu anticódon. 
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Como se dá a síntese de proteínas? 
3) Os ribossomos, organelas citoplasmáticas situadas nas paredes do retículo endoplasmático, mantêm o controle da síntese, de tal forma que os aminoácidos sejam reunidos na mesma ordem determinada pelos códons do DNA. 
 Este controle é feito através do RNA ribossômico. Durante a formação da cadeia polipeptídica, os ribossomos movem-se ao longo do RNAm, traduzindo cada um dos códons.
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REGULAÇÃO GÊNICA
Todos os tipos de genes estruturais - codificadores de proteínas em geral, do RNAt e do RNAr - estão organizados em grupos que podem ser controlados coordenadamente. 
 Este controle é exercido por um gene denominado gene regulador, que produz uma proteína, diferente das que são codificadas pelos estruturais, e cuja função é controlar a expressão destes últimos genes.
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A regulação da expressão gênica nos eucariotos pode dar-se pelo menos em quatro fases: 
 (a) ativação do gene estrutural;
 (b) início da transcrição; 
 (c) processamento do RNAm e transporte ao citoplasma; 
 (d) tradução do RNAm.