Aula 3 - Genética de microrganismos

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GENÉTICA DE MICRORGANISMOS 
Prof. Dr. Hélio 
 
Universidade Federal do Ceará – UFC 
Faculdade de Farmácia, Odontologia e Enfermagem - FFOE 
Genoma bacteriano 
(cromossomo + elementos 
genéticos extra cromossômicos) 
Genética de microganismos 
Cromossomo bacteriano X Humano 
Cromossomo (E. coli ) é uma molécula única de DNA em 
dupla hélice. 
- 5 milhões de pares de bases 
- Comprimento aproximado de 1,3 mm 
 
Cromossomo (dos Micoplasmas) tem ¼ desse tamanho 
- Menores cromossomos bacterianos 
 
Cromossomo bacteriano X Humano 
Os Seres Humanos: 
- tem 2 cópias de 23 cromossomos – 2,9 x 109 pares de base 
- Comprimento de 990 mm 
Os Eucariontes são normalmente diplóides, as bactérias são 
normalmente haplóides. 
 
 
 
 
A estrutura do cromossomo bacteriano é mantida por poliaminas 
(espermina e espermidina) no lugar das histonas. 
Multações causam efeitos evidentes nas células 
MECANISMOS PARA GERAR NOVOS GENÓTIPOS 
Mutação 
Transformação 
Conjugação 
Transdução 
Transposição 
Elementos extracromossômicos 
Plasmídios e bacteriófagos 
São independentes do cromossomo bacteriano 
Pode ser transmitido de uma célula para outra 
É essencial não haver erros; 
É disparada por eventos em cascata ligadas a taxa de 
crescimento da célula; 
É iniciada no Ori C (seqüência específica no cromossomo) 
Requer muitas enzimas : 
 
 
Replicação do DNA 
-Elicase (desespiralar o DNA) 
- Primase (sintetizar primers) 
-DNA polimerase DNA-dependentes 
(sintetizam uma cópia do DNA, depende de 
 primers e apenas na direção 5’ para 3’). 
Novo DNA é sintetizado de forma semi conservativa. 
Para o alto grau de precisão (as DNA polimerases) 
- Para ler e marcar possíveis correções. 
Há grande esforço de torção do círculo de DNA 
cromossômico (as topoisomerases). 
ex: girases 
 
 
Replicação do DNA 
A replicação tem que ser precisa. 
Danos acidentais no DNA - Sistema de reparo. 
-OBS: As bactérias destinam grande parte do genoma 
para especificar e controlar as enzimas envolvidas. 
 
 
Mutação, Reparo e Recombinação 
Mutações e suas conseqüências 
-É uma alteração no DNA que não resulta em qualquer mudança 
de aa na proteína codificada. 
-Ocorre porque mais de um códon pode codificar um mesmo aa. 
Conceito: 
- Alteração na sequência de DNA por substituição de bases, deleção, 
inserções e rearranjos. 
- É uma modificação genética súbita e estável, transmissível 
hereditariamente. 
1. Mutação silenciosa: 
-Resulta em aa diferente sendo inserido na proteína 
-Tipos: 
2. Mutação de sentido trocado: 
-mutação conservadora 
-mutação sem sentido 
Mutações e suas conseqüências 
-Se o aa possui propriedades semelhantes ex: valina substitui 
alanina. 
Mutação conservadora : 
-Modifica um códon codificando um aa para um códon de parada 
ex: TAG 
Mutação sem sentido : 
Mutações e suas conseqüências 
-Numerosas bases estão envolvidas 
-Um pequena deleção ou inserção que não seja em múltiplo de 3 
-Resulta em mudança na matriz de leitura. 
-Leva a um peptídeo inútil e ao encurtamento prematuro da 
proteína. 
3. Mutação de matriz de leitura: 
Mutações e suas conseqüências 
-Há destruição completa de função do gene 
-Surge quando há uma ampla inserção, deleção ou um rearranjo 
total da estrutura do cromossomo. 
-OBS: Há inserção de longas cadeias de DNA por: 
4. Mutações nulas: 
-Recombinação 
-Tranposição 
-Engenharia genética 
 Diversas mutações ocorrem espontaneamente na natureza: 
- Ex: Por erros da polimerase 
- Ex: Por agente químicos ou físicos. 
Mutações e suas conseqüências 
-Calor 
-Luz ultravioleta 
-Radiação ionizante (raio-x) 
-Substâncias mutagênicas 
(3 classes) 
 Substâncias mutagênicas 
(Classes) 
1.Os nucleotídeos com análogos de base 
-Levam ao mau pareamento e aos freqüentes erros na replicação. 
-Ex: Incorporação do 5-bromouracil no DNA no lugar da timidina 
2. Agentes mutagênicos de mudança de matriz de leitura. 
-Inserem-se ou intercalam-se entre as bases 
-Ex: Moléculas policíclicas e achatadas (brometo de etídio ou 
derivados de acridina). 
3) Compostos químicos DNA reativos 
-Agem diretamente no DNA 
-Ex: Ác. Nitroso (HNO2), os agentes alquilantes (nitrosoguanidina 
e o etil metano sulfonado). 
Mutações e suas conseqüências 
5 grupos 
1.Reparo direto do DNA 
-É a remoção enzimática do dano 
2. Reparo por excisão 
-É a correção de um seguimento de DNA, seguido da síntese de um 
novo filamento. 
-tipos: generalizado e especializado. 
3) Reparação pós-replicação ou recombinacional 
4) Resposta SOS 
-É a indução de muitos genes depois do dano ou interrupção da 
replicação do DNA. 
5) Reparo propenso a erro 
-É o ultimo recurso 
-É usado para preencher os intervalos com uma seqüência randômica 
quando um molde de DNA não se encontra disponível. 
Mecanismos de reparo do DNA 
 Bactérias patogênicas são promíscuas com seu DNA 
 Permite o intercambio de genes e características entre elas 
(novas cepas) 
 A troca pode ser vantajosa para o receptor. 
 Obs: plasmídio e bacteriófago. 
Troca de genes em células procarióticas 
 Moléculas menores de DNA (1 a 5% do 
cromossomo bacteriano) 
 - extra cromossômico 
 - circulares 
 Genes não codificam características essenciais 
 Conferem vantagens seletivas à bactéria 
 São autônomos (Unidades independentes de replicação) 
 Existem em número variável no citoplasma bacteriano 
 Se replicam independentemente do cromossomo bacteriano 
Troca de genes em células procarióticas 
plasmídios 
 A maioria é composta de moléculas de 
DNA circulante e duplamente filamentadas. 
 
 
 
 Os plasmidios podem ser: 
- Replicons (se relicam autonomamente) 
- Epissomos (podem integrar-se no cromossomo do hospedeiro) 
ex: plasmidio F de E. coli. 
Troca de genes em células procarióticas 
plasmídios 
 Exceção: Borrelia burgdoferi (Doença de Lyme) e a Borrelia 
hermsii – possuem plasmídios lineares. 
 Plasmídeos F ou de fertilidade – capacidade de promoverem a 
transferência conjugativa de plasmídeos; ex. plasmídeo F da E. 
coli. 
 Plasmídeo R ou de resistência – transportam genes que 
conferem à bactéria hospedeira resistência a um ou mais agentes 
antibacterianos. 
 
 Plasmídeos Col – que codificam colicinas (proteínas que matam 
outras bactérias); 
 
 Plasmídeos degradativos – permitem às bactérias hospedeiras 
metabolizarem moléculas invulgares, tais como o tolueno e o 
ácido salicílico; 
 
 Plasmídeos virulentos - conferem patogenicidade nas 
bactérias hospedeiras; 
Classificação dos plasmídeos 
 São vírus bacterianos 
 Infectam as células bacterianas e/ou se replicam em 
grande quantidade causando a lise celular (infecção lítica) 
 Estado lisogênico 
 Alguns bacteriófagos lisogênicos carregam genes de 
toxinas 
- ex: o Corinefago beta (carrega o gene da toxina da difteria). 
Troca de genes em células procarióticas 
Bacteriófagos 
 São elementos genéticos móveis 
 Estão presentes nos procariotos e eucariotos 
 Algumas bactérias patogênicas se valem destes genes para 
coordenar a expressão de fatores de virulência . 
Troca de genes em células procarióticas 
Transposons (genes saltadores) 
Mecanismos de transferência genética 
entre células 
 O intercambio do material genético entre células bacterianas 
pode ocorrer por 3 mecanismos. 
Conjugação 
 
Tranformação 
 
Transdução 
Foi o 1° mecanismo de transferência genética a ser 
descoberto nas bactérias; 
1928 Griffith; 
Espécies capazes de absorverDNA (competentes); 
- Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae, 
especies de bacillus e espécies de Neisseria. 
A competência desenvolve-se ao final do crescimento 
logarítmico. 
Para as não competentes (ex: E. coli e outras): métodos 
químicos ou eletroporação (uso de pulso de alta voltagem). 
 
Transformação 
Transformação 
Descoberta por Ledeberg e Tatum (1946) 
Ocorre com a maioria das Eubactérias 
Ocorre inicialmente entre membros da mesma espécie ou de 
espécies relacionadas. 
Ocorre entre procariotos e células de plantas, animais e 
fungos. 
O DNA transferido por conjugação é formado de molécula de 
fita simples. 
Resulta na transferência de uma parte da seqüência do 
plasmídeo e de alguma porção do DNA cromossômico 
bacteriano. 
Conjugação 
Para que ocorra a conjugação: 
 Contato direto célula a célula; 
 As células em conjugação são de tipos opostos de 
acasalamento (transporte de plasmídeos). 
O plasmídeo é replicado durante a transferência 
Conjugação 
 Ocorre para E. coli, bacteróides, enterococos, estreptococos, 
estreptomices e clostrídios. 
Conjugação 
Transferência unidirecional 
É mediada por bacteriófagos 
Pode ser classificada como: 
- Especializada (se os fagos em questão transferem genes 
particulares ). 
- Generalizada (Se a seleção das seqüências é randomizada 
devido a um empacotamento acidental do DNA do hospedeiro 
no capsídio do fago). 
Transdução 
Transdução fágica 
Incorporação do DNA extracromossômico. 
Tipos: 
Recombinação 
Homóloga (legítima) 
-Ocorre entre seqüências de DNA estreitamente relacionadas 
e geralmente substitui uma seqüência pela outra. 
Não - Homóloga (Ilegítima) 
- Ocorre entre seqüências de DNA não similares e geralmente 
produz inserções ou deleções ou ambas. 
- Requer enzimas de recombinação especializada. 
Mutações 
resitência 
Transferência de genes de 
resistência 
Alterações genéticas 
- M. tuberculosis resistente a Rifampicina 
Resistência aos AM 
Transformação 
Transdução 
Conjugação 
Natureza da Resistência 
Natural ou Intrínseca 
Adquirida 
Cruzada 
Resistência Natural 
Faz parte das características biológicas 
primitivas da célula. 
Caracteriza uma determinada espécie e 
compõe a herança genética cromossômica. 
Resistência Natural 
Micoplasmas – aos -lactâmicos 
 Gram-negativos – a penicilina G 
 Gram-positivos – a polimixina B (Impermeabilidade à 
droga). 
Espécies de Klebsiella, Enterobacter e Serratia 
– a ampicilina (Naturalmente produtores de beta-lactamase) 
Resistência Adquirida 
 Surge em uma bactéria primitivamente sensível a este 
mesmo antimicrobiano. 
 Origem genética (DNA cromossomal e plasmidial) 
Decorre de modificações na estrutura ou no funcionamento 
da célula, que bloqueiam a ação dos antimicrobianos. 
 + Importante (Gênese de quadros infecciosos) 
 Consequências: 
 Agravamento do prognóstico 
 ↑custo do tratamento 
Resistência Cruzada 
Mecanismo bioquímico é o mesmo para 
outras drogas 
Ex.: S. aureus – produção de beta-lactamase 
Penicilina G 
Penicilina V 
Ampicilina 
Epicilina 
Carbenicilina e amoxicilina. 
RESISTÊNCIA BACTERIANA 
A ANTIMICROBIANOS 
Fenômeno genético 
 Mutação de genes cromossômicos 
 Aquisição de genes extra-cromossômicos exógenos 
 Mutação de genes adquiridos 
 Diferentes mecanismos bioquímicos (impedem a 
ação das drogas); 
RESISTÊNCIA BACTERIANA 
A ANTIMICROBIANOS 
Diferentes mecanismos bioquímicos (impedem a 
ação das drogas); 
 
1) Inativação da droga por enzimas. 
2) Alterações da permeabilidade bacteriana à droga. 
3) Alteração do sistema de transporte na célula. 
4) Bomba de efluxo. 
5) Modificação do receptor alvo da droga. 
6) Modificação do sistema metabólico ativo para a 
droga e síntese de vias metabólicas alternativas. 
RESISTÊNCIA BACTERIANA A ANTIMICROBIANOS 
Origem dos genes de resistência 
Penicillium notatum Penicilina 
Bacillus polymixa Polimixina 
Streptomyces erythreus Eritromicina 
 A existência de cepas resistentes precede ao emprego 
dos antibióticos. 
 Genes presentes em microrganismos produtores de 
antibióticos na natureza. 
Bases genéticas da 
resistência adquirida 
Mutação de genes cromossômicos 
Aquisição de genes cromossômicos e extra-
cromossômicos exógenos 
As duas modalidades podem estar 
presentes na mesma bactéria 
Mutação 
Cromossômica 
Resistência Transferível 
Transformação 
Transdução 
Conjugação 
 Aquisição de genes resistentes exógenos: 
Geração de Staphylococcus aureus resistente a 
vancomicina por multiplas manifestações genéticas 
Usa técnicas e ferramentes desenvolvidas por geneticistas 
bacterianos para: 
Engenharia genética (Tecnologia do DNA recombinate) 
Purifica 
Amplifica 
Modificar 
Expressar 
Seqüências específicas de genes 
Componentes básicos: 
1. Vetores de clonagem e expressão 
-Podem ser usados para liberação de seqüências de DNA em 
bactérias receptoras e amplificar a seqüência desejada. 
 
2. A seqüência de DNA a ser amplificada e expressa 
 
 
3. Enzimas 
-Enzimas de restrição e DNA ligase. 
Engenharia genética (Tecnologia do DNA recombinate) 
Ex: vetores 
plasmídios, 
bacteriófagos, 
vetores cosmidios. 
Tem sido usada para isolar e expressar os genes de 
proteínas úteis nas bactérias, leveduras, insulina, 
interferon, GH, IL. 
- Desenvolvimento de uma vacina contra o vírus da hepatite B 
É essencial para: 
-Diagnóstico laboratorial 
-Ciência forense 
-Agricultura 
-Outras disciplinas. 
Engenharia genética (Tecnologia do DNA recombinate) 
Os homens perdem a saúde para juntar dinheiro e depois perdem 
o dinheiro para recuperá-la. Por pensarem ansiosamente no 
futuro, esquecem o presente, de tal forma que acabam por nem 
viver no presente nem no futuro. E concluiu: Vivem como se 
nunca fossem morrer e morrem como se não tivessem vivido...“
 Dalai Lama