Genética - Parte II

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25/02/2014
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Genética
Melissa Vieira Leite
Parte II
A diversidade da vida
• O genoma é um
conjunto completo de
instruções para
qualquer organismo;
• Todos os genomas são
codificados em ácidos
nucléicos, seja DNA
ou RNA;
• O sistema codificante para informação genética
também é comum para toda a vida;
• As instruções genéticas estão no mesmo formato e,
com raras exceções, as palavras código são idênticas;
• Similarmente, o processo pelo qual a informação
genética é copiada e decodificada é marcadamente
similar para todas as formas de vida;
• Este sistema genético universal é uma consequência
da origem comum dos seres vivos;
• Vida no planeta Terra evoluiu de um mesmo ancestral
que surgiu entre 3,5 a 4 bilhões de anos atrás.
Tipos celulares básicos
• Procariontes:
– Eubacterias: bactérias verdadeiras;
– Archaea: bactérias antigas.
Arqueobactéria
Halobacterium salinarum
Eubactéria
Bacillus anthracis
Tipos celulares básicos
• Eucariontes;
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Células procarióticas Células eucarióticas
Núcleo Ausente Presente
Diâmetro celular Relativamente pequeno
(1 a 10 µm)
Relativamente grande
(10 a 100 µm)
Genoma Geralmente uma
molécula circulas de
DNA
Múltiplas moléculas
lineares de DNA
DNA Não associado a
histonas nas
eubactérias, algumas
histonas em Archaea
Associado a histonas
Quantidade de DNA Relativamente pequena Relativamente grande
Organelas delimitadas
por membranas
Ausentes Presentes
Citoesqueleto Ausente Presente
Ponto de vista evolutivo
• Três grandes grupos de organismos:
– Eubacterias;
– Archaea;
– Eucariontes.
Vírus
• São estruturas
relativamente simples
compostas de uma capa
externa circundando um
ácido nucleico (DNA ou
RNA);
• Reproduzem-se apenas
dentro de células
hospedeiras;
Cromossomos
• Genoma: conjunto único e completo de
informações genéticas (DNA) de um
organismo;
• Nos eucariontes, a maior parte do
DNA do genoma é encontrado no
núcleo de cada célula;
• Esse DNA nuclear é dividido em
unidades chamadas cromossomos;
• Cada espécie tem um número característico de
cromossomos por célula e o mesmo aspecto;
– Drosophila: 8 cromossomos;
– Baratas: 48 cromossomos;
– Camundongo: 40 cromossomos;
– Gorila: 48 cromossomos;
– Humanos: 46 cromossomos;
• Parece não haver nenhuma correlação entre a
complexidade de um organismo e seu número de
cromossomos por célula;
Muntiacus muntjak
2n= 6 cromossomos
Muntiacus reevesi
2n= 46 cromossomos
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• Exemplo 1: cromossomos de uma célula do cervo
indiano muntjac, corados com sondas moleculares
fluorescentes, chamadas corantes cromossômicos;
• Exemplo: cromossomos humanos, corados com sondas
moleculares fluorescentes; • Uma característica do material genético nuclear da
maioria dos animais e plantas é que são diplóides, ou
seja, esses organismos contêm dois conjuntos de
cromossomos idênticos;
• O número de cromossomos no conjunto genômico
básico é chamado de número haplóide (chamado de n);
• Em um núcleo diplóide, os dois membros de um par de
cromossomos são chamados de cromossomos
homólogos;
• As sequências de DNA de membros de um par de
homólogos geralmente são iguais, muito embora
pequenas variações de sequência em geral estejam
presentes, o que é a base da variação genética dentro
de uma espécie;
• Assim, nos diplóides, cada gene está presente como
um par de genes;
• O núcleo das células do corpo contém pares de
cromossomos, eles não estão fisicamente pareados no
sentido de estarem próximos um do outro;
• O pareamento físico dos homólogos ocorre na meiose;
• Muitas espécies, formando a maior parte da biomassa
eucariótica no planeta, normalmente não são diplóides;
• Em outras palavras, o núcleo contém apenas um
conjunto de cromossomos;
• Exemplos de organismos haplóides: fungos (incluindo o
mofo, leveduras e cogumelos) e algas;
• Cada cromossomo contém uma molécula de DNA;
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• A quantidade de DNA por célula é muito maior que o
tamanho do cromossomo;
• O DNA está compactado eficientemente em um
cromossomo;
• Isso é obtido envolvendo o DNA ao redor de
estruturas moleculares chamadas de nucleossomos;
• Cada nucleossomo é composto por um octâmero de
proteínas chamadas histonas;
• A cadeia de DNA-nucleossomo é ainda mais
helicoidizada e super-helicoidizada;
“Embalagem” do DNA
• Complexo DNA +
proteínas = cromatina
• As proteínas histonas limitam o acesso de enzimas e
outras proteínas que copiam e fazem a leitura do
DNA, mas permitem que o DNA se ajuste ao núcleo;
• O DNA eucariótico deve se separar das histonas
antes que a informação genética possa ser acessada;
• Archea também tem algumas proteínas histonas que
fazem um complexo com o DNA, mas a estrutura da
sua cromatina é diferente da encontrada nos
eucariontes;
• Como não possuem histonas, a cópia e a leitura do
DNA são processos mais simples nas eubactérias;
• O DNA e os nucleossomos associados constituem a
cromatina, o arcabouço dos cromossomos;
• A cromatina varia em compactação ao longo de um
cromossomo;
• A cromatina densa geralmente é encontrada ao redor
do centrômero, uma parte de um cromossomo em
geral visível como uma constrição;
• A cromatina densa é chamada de heterocromatina, e a
menos densa é chamada de eucromatina;
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Estrutura de um cromossomo eucariótico
Telômero
Telômero
Centrômero
Um cromossomo Um cromossomo
Cromátides
(irmãs)
Tipos de cromossomos eucarióticos
Genes
• Os genes são segmentos transcritos dispostos ao
longo do DNA de um cromossomo;
• Existe uma considerável variação entre espécies no
número de genes e no “panorama” cromossômico geral;
• O número de genes:
– Levedura Saccharomyces cerevisiae  6.000;
– Homo sapiens  25.000;
• Éxons: seguimentos codificantes de um gene
• Íntrons: regiões não-codificantes que interrompem os
seguimentos codificantes de um gene;
• O tamanho da região codificante de um gene (mais ou
menos sinônima do tamanho do seu mRNA) é
marcantemente constante entre as espécies;
• As regiões não-transcritas entre os genes são
variáveis entre espécies em tamanho e conteúdo de
DNA;
• A presença de grandes números de íntrons pode
tornar enorme o tamanho aparente do gene;
Células eucarióticas diplóides tem
dois conjuntos de cromossomos
Alelo A Alelo a
Estas duas versões de
um gene codificam
uma característica.
Cromossomos homólogos
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Reprodução celular
• Três eventos fundamentais:
– A informação genética deve ser copiada;
– As cópias da informação genética devem ser separadas
umas das outras;
– A célula deve se dividir;
Reprodução da Célula Procariótica
Reprodução celular eucariótica
• O ciclo celular:
– É um processo crítico pois as
instruções genéticas para
todas as características são
transmitidas da genitora
para as células filhas;
– Consiste em duas fases
principais:
• Interfase;
• Mitose;
Intérfase
• É o período ampliado de
crescimento e
desenvolvimento entre
as divisões celulares;
• Dividida em três fases:
– G1;
– S;
– G2;
Fase G1
• Intervalo 1;
• A célula cresce e as proteínas necessárias para a
divisão celular são produzidas;
• Tipicamente dura várias horas;
• Há um ponto crítico chamado de ponto de verificação
G1/S;
• Após este ponto ter passado, a célula estará
destinada a se dividir;
Fase G0
• Fase de não-divisão: ocorre quando as células saem do
ciclo celular ativo, em resposta a sinais regulatórios,
antes de atingirem o ponto de verificação G1/S;
• É um estado estável durante o qual as células
geralmente mantêm um tamanho constante;
• Elas podem permanecer em G0 por um longo período de
tempo, até mesmo indefinidamente, ou podem
reentrar em G1 e ativar seu ciclo celular;
• Muitas células nunca entram em G0, e o seu cicloé
contínuo;
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Fase S
• Fase de síntese;
• Cada cromossomo se duplica;
• A partir deste momento os cromossomas passam a
possuir duas cromátides ligadas por um centrômero;
Fase G2
• Nesta fase ocorrem vários eventos bioquímicos
adicionais necessários para a divisão celular;
• O importante ponto de verificação G2/M é atingido em
G2;
• Após este ponto ter sido ultrapassado, a célula está
pronta para se dividir;
Mitose
• É a fase da divisão celular;
• A separação das cromátides irmãs, para dar um
conjunto completo de informações genéticas para
cada uma das células resultantes, é um processo
crítico na mitose;
• Geralmente dividida em cinco
estágios (Prófase, prometáfase,
metáfase, anáfase e telófase) e a
citocinese;
Prófase
• Os cromossomo replicados,
cada um consistindo de duas
cromátides irmãs intimamente
associadas, condensam-se;
• Do lado de fora do núcleo, é
formado o fuso mitótico, uma
disposição organizada de
microtúbulos que movimenta os
cromossomos na mitose;
Prófase
• Nas células animais, o fuso cresce a partir de um par
de centrossomos, que migram para os polos opostos da
célula;
• Dentro de cada centrossomo há uma organela
especial, o centríolo, que é composto de microtúbulos;
• As células de vegetais superiores não tem
centrossomos ou centríolos, mas têm fusos mitóticos;
Prometáfase
• Inicia com a desintegração da membrana nuclear;
• Os microtúbulos do fuso entram na região nuclear;
• As pontas de alguns microtúbulos fazem contato com
o cromossomo e se ancoram no cinetócoro de uma das
cromátides irmãs;
• Alguns microtúbulos do centrossomo oposto liga-se à
outra cromátide irmã, e assim cada cromossomo é
ancorado a ambos os centrossomos;
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Metáfase
• Os cromossomos se
dispõem em um único plano,
a placa metafásica, entre
os dois centrossomos;
• Os centrossomos, agora em
extremos opostos da célula,
apresentam os microtúbulos
irradiando-se e atingindo a
metade da célula;
Anáfase
• As cromátides irmãs separam-se
e movem-se para os polos opostos;
• Os microtúbulos do cinetócoro
encurtam-se e os fusos polares
também se distanciam, ambos os
processos contribuem para a
separação dos cromossomos;
• Após as cromátides terem
separado-se, cada uma é
considerada um cromossomo;
Telófase
• Os conjuntos de cromossomos
chegam aos pólos do fuso;
• A membrana nuclear se
reconstitui ao redor de cada
conjunto de cromossomos,
produzindo dois núcleos
separados dentro da célula;
• Os cromossomos se distendem e novamente não são
visíveis;
• Em muitas células a Citocinese (divisão do citoplasma)
é simultânea a telófase;
Meiose
• Meiose I
– Prófase I
– Metáfase I
– Anáfase I
– Telófase I
• Meiose II
– Prófase II
– Metáfase II
– Anáfase II
– Telófase II
• A meiose é precedida de um estágio de intérfase
que inclui G1, S e G2;
• Consiste em duas fases distintas:
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Meiose I
• Prófase I: apesar de continua, é normalmente dividida em
cinco estados consecutivos de acordo com as principais
atividades dos cromossomos:
– Leptóteno;
– Zigóteno;
– Paquíteno;
– Diplóteno;
– Diacinese;
• Leptóteno: os cromossomos se contraem e se tornam
visíveis;
• Zigóteno: os cromossomos continuam a se condensar. Os
cromossomos homólogos começam a parear (sinapse). Cada
par de cromossomos homólogos em sinapse consiste de
quatro cromátides chamadas um bivalente ou tétrade;
• Paquíteno: os cromossomos tornam-se mais curtos e
grossos. Ocorre a recombinação genética (crossing over)
entre os cromossomas homólogos completamente
emparelhados;
• Diplóteno: os dois homólogos permanecem ligados em cada
quiasma, que é o resultado do crossing over;
• Diacinese: continua a condensação cromossômica;
Meiose Mitose x Meiose
Meiose
Observações importantes sobre a
meiose
• O pareamento dos cromossomos homólogos duplicados
permite que ocorra a recombinação genética, por meio
da qual um fragmento de uma cromátide materna pode
ser trocado por um fragmento correspondente de uma
cromátide homóloga paterna;
• A divisão I da meiose não produz células como uma
quantidade haplóide de DNA.
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• Como as cromátides irmãs comportam-se como uma
unidade, cada célula-filha desta divisão herda, duas
cópias de apenas um dos dois homólogos. As duas
cópias são idênticas, exceto onde ocorreu a
recombinação genética. Portanto as duas células-
filhas contém um número haplóide de cromossomos,
mas uma quantidade diplóide de DNA. Elas diferem
das células diplóides normais em dois aspectos:
– Primeiro, as duas cópias de DNA de cada cromossomo provém
de apenas um dos cromossomos homólogos na célula original
(exceto pelas partes trocadas por recombinação genética);
– Segundo, estas duas cópias de DNA são herdadas na forma
de cromátides-irmãs unidas.
• A formação do núcleo real do gameta pode
prosseguir, agora, simplesmente por meio de uma
segunda divisão celular, a divisão II da meiose, sem
haver replicação do DNA. Os cromossomos
duplicados se alinham em um segundo fuso, e as
cromátides irmãs separam-se para produzir células
com um conteúdo haplóide de DNA;
• Dessa maneira, a meiose consiste de uma fase
simples de replicação de DNA seguida de duas
divisões celulares. Portanto, quatro células haplóides
são produzidas a partir de cada célula que entra em
meiose;
• Ocasionalmente, durante a meiose, os cromossomos
não se separam em quatro células haplóides, um
fenômeno conhecido como não-disjunção;
• Assim, algumas células haplóides que são produzidas
carecem de um cromossomo, enquanto outras têm
mais de uma cópia;
• Os gametas resultantes formam embriões anormais,
a maior parte dos quais morre. No entanto, alguns
sobrevivem: por exemplo em humanos, a síndrome de
Down é causada por uma cópia extra do cromossomo
21, resultante da não-disjunção durante a divisão I
ou a divisão II da meiose.
• A maioria de tais erros de segregação ocorre
durante a meiose em fêmeas, e a taxa de erro
aumenta à medida que a idade materna avança;
• A frequência de falha de segregação em oócitos
humanos é alta (cerca de 10% das meioses);
• Acredita-se que esta seja a razão para a alta taxa
de perdas por abortos espontâneos na fase inicial de
gestação;
O rearranjo genético é reforçado pela
recombinação entre cromátides-
homólogas não-irmãs
• A menos que sejam gêmeos idênticos, que se
desenvolvem a partir de um único zigoto, dois filhos
dos mesmos pais jamais serão geneticamente iguais.
Isto porque, muito antes dos dois gametas fundirem-
se durante a fecundação, dois tipos de rearranjo
genético ao acaso ocorreram durante a meiose;
• Um tipo de rearranjo é consequência da distribuição
aleatória dos homólogos maternos e paternos entre as
células-filhas na divisão meiótica I, resultando que
cada gameta receba uma mistura diferente de
cromossomos maternos e paternos;
• Porém, o número real de variantes é muito maior que
este, porque um segundo tipo de rearranjo, chamado
recombinação cromossômica (chromossomal crossing
over), ocorre durante a meiose;
• A recombinação cromossômica ocorre durante a longa
prófase da divisão meiótica I (prófase I), na qual são
trocadas partes dos cromossomos homólogos;
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• Em média, entre dois e três eventos de recombinação
ocorrem em cada par de cromossomos humanos
durante a divisão meiótica I;
• Esse processo mistura a constituição genética de cada
um dos cromossomos nos gametas;
• Durante a recombinação cromossômica, a dupla hélice
de DNA é quebrada tanto em uma cromátide materna
como em uma cromátide paterna homóloga, de modo a
trocar fragmentos entre as duas cromátides não-
irmãs de forma recíproca;
Cromátides
irmãs
Cromátides
irmãs
Cromátides não-irmãs
Cromátides não-irmãs
• As consequências de cada evento de recombinação
podemser observadas ao microscópio nos últimos
estágios de prófase I, quando os cromossomos nos
bivalentes estão altamente condensados;
• Neste estágio, as cromátides-irmãs estão
fortemente justapostas ao longo de todo o seu
comprimento, e os dois homólogos duplicados
(materno e paterno) que formam cada bivalente são
vistos conectados fisicamente em pontos específicos;
• Cada conexão, chamada quiasma (plural quiasmata),
corresponde a um local de recombinação entre
cromátides não-irmãs;
• Cada uma das duas cromátides de um cromossomo
duplicado pode realizar recombinação com uma das
cromátides do outro cromossomo no bivalente;
• Neste estágio da meiose, cada par de homólogos
duplicados é mantido unido pelo menos por um
quiasma;
• Muitos bivalentes contêm mais de um quiasma,
indicando que múltiplas recombinações podem ocorrer
entre homólogos;
Os quiasmata têm um papel importante na
segregação dos cromossomos durante a
meiose
• Além do rearranjo de genes, a recombinação
cromossômica é essencial na maioria dos organismos
para a segregação correta dos dois homólogos
duplicados para diferentes núcleos-filho;
• Isto porque os quiasmata criados pelos eventos de
recombinação têm um papel crucial em manter os
homólogos materno e paterno unidos até o fuso
separá-los na anáfase I;
• Antes da anáfase I, os dois polos do fuso arrastam os
homólogos duplicados para direções opostas, e os
quiasmata resistem a esta distensão;
• Em organismos mutantes que têm uma frequência
reduzida de recombinação cromossômica meiótica,
alguns dos pares de cromossomos não têm quiasmata;
• Esses pares deixam de segregar normalmente, e
muitos dos gametas produzidos contém um número de
cromossomos muito maior ou muito menor que o
normal.
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Divisão celular
• Mitose: multiplicação celular;
• Meiose: formação de gametas;
2n
n n n n
2n
2n 2n
Mitose Meiose
“O tempo passa, os acontecimentos mudam, os
fatos se renovam, mas os momentos felizes que
passamos em nossas vidas ficam em nossos
corações como forma de saudade.”
(autor desconhecido)