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GENÉTICA Caderno de Estudos Prof. Leônidas João de Mello Junior UNIASSELVI 2013 NEAD Educação a Distância GRUPO Copyright UNIASSELVI 2013 Elaboração: Leônidas João de Mello Junior Revisão, Diagramação e Produção: Centro Universitário Leonardo da Vinci - UNIASSELVI Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri – UNIASSELVI – Indaial. 575.1 M489g Mello Junior, Leônidas de Genética / Leônidas de Mello Junior. Indaial : Uniasselvi, 2013. 206 p. : il ISBN 978-85-7830-746-2 1. Genética. I. Centro Universitário Leonardo da Vinci. GENÉTICA APRESENTAÇÃO Caro(a) acadêmico(a)! A Genética tem se mostrado uma das áreas mais promissoras dentro da Biologia, seja como ferramenta de sustentabilidade ou prevenção e terapêutica de doenças. As últimas descobertas mais importantes e impactantes da comunidade científica pertencem a esta ciência. A cada nova descoberta, um gigantesco leque de possibilidades se abre diante de nossos olhos e vêm acompanhadas de questionamentos sobre o futuro da humanidade e os limites de nossa atividade sobre o fenômeno da vida. Os impactos causados pelas descobertas da Genética atingem, de forma integrada, a saúde, o ambiente, a economia, a legislação e a ética. A compreensão global desta ciência envolve, portanto, o conhecimento da genética clássica à moderna, ou seja, desde seu nascimento até os dias atuais. Desta maneira, o seu Caderno de Estudos foi dividido de forma que você possa evoluir gradativamente em seus estudos. Iniciaremos com o contexto histórico e, posteriormente, abordaremos os fundamentos da genética mendeliana clássica. Com os aprofundamentos da genética molecular, você poderá visualizar as possibilidades que a genética dispõe, obtendo parte do conhecimento tecnológico proporcionado pela era genômica, como o do sequenciamento do DNA, por exemplo. Estudando as extensões da herança mendeliana, você poderá ampliar seus conhecimentos acerca da hereditariedade. Encerraremos a disciplina com as mutações gênicas e cromossômicas que são fontes importantes de variação e de patogênese. Na atualização deste caderno de Genética, foram incluídos temas relevantes para a Genética Moderna, tais como: um aprofundamento sobre o empacotamento do material genético, um tópico sobre transposons e outro sobre epigenética, que certamente contribuirão para sua formação como professor de Biologia. Lembre-se sempre: você é gestor de seus estudos! Estude o caderno e aprofunde seus conhecimentos durante a passagem dessa disciplina, seja com livros ou outras fontes de pesquisa. Tenha em mente que ser professor(a) de Biologia é ter responsabilidade acerca da saúde humana e ambiental, a ética e a qualidade de vida: de todas as formas de vida. Bons estudos! Leônidas João de Mello Júnior iii GENÉTICA iv UNI Oi!! Eu sou o UNI, você já me conhece das outras disciplinas. Estarei com você ao longo deste caderno. Acompanharei os seus estudos e, sempre que precisar, farei algumas observações. Desejo a você excelentes estudos! UNI SUMÁRIO UNIDADE 1: HERANÇA .................................................................................................... 1 TÓPICO 1 - ASPECTOS HISTÓRICOS DA GENÉTICA .................................................... 3 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 3 2 CRONOLOGIA ................................................................................................................ 4 3 DEFINIÇÃO DO TERMO GENÉTICA ............................................................................. 5 RESUMO DO TÓPICO 1 .................................................................................................... 6 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................... 7 TÓPICO 2 - BASES CITOLÓGICAS E CROMOSSÔMICAS DA HERANÇA ................... 9 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 9 2 O NÚCLEO ...................................................................................................................... 9 3 EMPACOTAMENTO DO MATERIAL GENÉTICO E O CÓDIGO DE HISTONAS ..........11 4 O CROMOSSOMO ......................................................................................................... 14 4.1 TÉCNICAS DE ANÁLISE DOS CROMOSSOMOS ..................................................... 15 RESUMO DO TÓPICO 2 .................................................................................................. 20 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................. 21 TÓPICO 3 - HERANÇA AUTOSSÔMICA ......................................................................... 23 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 23 2 GREGOR MENDEL (1822 – 1884) ................................................................................ 23 3 NOÇÕES BÁSICAS DE PROBABILIDADE .................................................................. 26 3.1 PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA DE DOIS EVENTOS SIMULTÂNEOS E EXCLUSIVOS.............................................................................................................. 26 3.2 PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA DE DOIS EVENTOS SIMULTÂNEOS E NÃO EXCLUSIVOS ..................................................................................................... 26 4 PRIMEIRA LEI DE MENDEL ......................................................................................... 26 5 AUSÊNCIA DE DOMINÂNCIA ...................................................................................... 32 5.1 HERANÇA INTERMEDIÁRIA (DOMINÂNCIA INCOMPLETA) .................................... 32 5.2 CODOMINÂNCIA ........................................................................................................ 33 6 ALELOS LETAIS ........................................................................................................... 34 7 HEREDOGRAMAS ........................................................................................................ 35 8 SEGUNDA LEI DE MENDEL (DIIBRIDISMO) ............................................................... 37 9 HERANÇA DOS GRUPOS SANGUÍNEOS HUMANOS ............................................... 39 9.1 FATOR RH .................................................................................................................. 39 9.2 SISTEMA ABO............................................................................................................. 42 RESUMO DO TÓPICO 3 .................................................................................................. 47 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................. 48 GENÉTICA v GENÉTICA vi TÓPICO 4 - HERANÇA DOS CROMOSSOMOS SEXUAIS ............................................ 51 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 51 2 DETERMINAÇÃO CROMOSSÔMICA DO SEXO ......................................................... 51 2.1 SISTEMA XO ............................................................................................................... 51 2.2 SISTEMA XY ............................................................................................................... 52 2.3 SISTEMA Z0 ................................................................................................................53 2.4 SISTEMA ZW .............................................................................................................. 53 3 CROMOSSOMOS SEXUAIS HUMANOS E HERANÇA ............................................... 54 3.1 HERANÇA LIGADA AO SEXO .................................................................................... 55 3.2 HERANÇA HOLÂNDRICA OU RESTRITA AO SEXO ................................................. 56 4 CROMATINA SEXUAL .................................................................................................. 57 4.1 HIPÓTESE DE LYON .................................................................................................. 58 LEITURA COMPLEMENTAR ............................................................................................ 59 LEITURA COMPLEMENTAR II ........................................................................................ 60 RESUMO DO TÓPICO 4 .................................................................................................. 66 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................. 67 AVALIAÇÃO ..................................................................................................................... 68 UNIDADE 2: GENÉTICA MOLECULAR .......................................................................... 69 TÓPICO 1 - ÁCIDOS NUCLEICOS .................................................................................. 71 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 71 2 FLUXO DA INFORMAÇÃO GENÉTICA ........................................................................ 71 3 ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (DNA) .................................................................... 73 4 ÁCIDO RIBONUCLEICO (RNA) .................................................................................... 76 4.1 TIPOS DE RNAS ......................................................................................................... 78 RESUMO DO TÓPICO 1 .................................................................................................. 79 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................. 80 TÓPICO 2 - REPLICAÇÃO DO DNA ............................................................................... 81 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 81 2 MECANISMO MOLECULAR DE DUPLICAÇÃO .......................................................... 81 3 FALHAS NA REPLICAÇÃO DO DNA E MUTAÇÕES .................................................. 84 4 TELOMERASE .............................................................................................................. 85 5 TELOMERASE E ENVELHECIMENTO CELULAR ...................................................... 87 RESUMO DO TÓPICO 2 .................................................................................................. 89 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................. 90 TÓPICO 3 - EXPRESSÃO GÊNICA OU TRANSCRIÇÃO ............................................... 91 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 91 2 TRANSCRIÇÃO ............................................................................................................. 91 3 PROCESSAMENTO DO RNA PRODUZIDO ................................................................. 93 4 SPLICING E O MUNDO DO RNA ................................................................................. 94 RESUMO DO TÓPICO 3 .................................................................................................. 96 GENÉTICA vii AUTOATIVIDADE ............................................................................................................. 97 TÓPICO 4 - REGULAÇÃO DA TRANSCRIÇÃO GÊNICA ............................................... 99 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 99 2 ESTÍMULOS AMBIENTAIS ......................................................................................... 101 3 FATORES DE TRANSCRIÇÃO E ATIVADORES (ENHANCERS) ............................. 102 4 REPRESSORES ......................................................................................................... 104 5 CONDENSAÇÃO DA CROMATINA ............................................................................ 105 RESUMO DO TÓPICO 4 ................................................................................................ 106 AUTOATIVIDADE ........................................................................................................... 107 TÓPICO 5 - SÍNTESE PROTEICA ................................................................................. 109 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 109 2 TRADUÇÃO ................................................................................................................. 109 RESUMO DO TÓPICO 5 .................................................................................................115 AUTOATIVIDADE ............................................................................................................116 TÓPICO 6 - GENÔMICA .................................................................................................119 1 INTRODUÇÃO ..............................................................................................................119 2 TECNOLOGIAS ........................................................................................................... 120 2.1 SEQUENCIAMENTO GENÉTICO ............................................................................. 121 2.2 MICROARRANJOS DE DNA..................................................................................... 123 2.3 REAÇÃO EM CADEIA DA POLIMERASE (PCR)...................................................... 124 LEITURA COMPLEMENTAR .......................................................................................... 125 RESUMO DO TÓPICO 6 ................................................................................................ 135 AUTOATIVIDADE ........................................................................................................... 136 AVALIAÇÃO .................................................................................................................... 137 UNIDADE 3: VARIAÇÃO GENÉTICA ............................................................................ 139 TÓPICO 1 - GENÉTICA QUANTITATIVA ....................................................................... 141 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 141 2 A HERANÇA QUANTITATIVA ..................................................................................... 142 3 CALCULANDO O NÚMERO DE CLASSES FENOTÍPICAS E SUA DISTRIBUIÇÃO ........... 145 RESUMO DO TÓPICO 1 ................................................................................................ 147 AUTOATIVIDADE ........................................................................................................... 148 TÓPICO 2 - INTERAÇÃO GÊNICA ................................................................................ 149 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 149 2 PLEIOTROPIA .............................................................................................................149 3 GENES COMPLEMENTARES .................................................................................... 152 4 EPISTASIA .................................................................................................................. 153 LEITURA COMPLEMENTAR ......................................................................................... 154 RESUMO DO TÓPICO 2 ................................................................................................ 156 GENÉTICA viii AUTOATIVIDADE ........................................................................................................... 157 TÓPICO 3 - GENES LIGADOS (LINKAGE) ................................................................... 159 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 159 2 HISTÓRICO ................................................................................................................. 159 LEITURA COMPLEMENTAR ......................................................................................... 161 RESUMO DO TÓPICO 3 ................................................................................................ 168 AUTOATIVIDADE ........................................................................................................... 169 TÓPICO 4 - MUTAÇÕES ................................................................................................ 171 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 171 2 MUTAÇÕES GÊNICAS ................................................................................................ 171 3 MUTAÇÕES CROMOSSÔMICAS ............................................................................... 174 4 MUTAÇÕES CROMOSSÔMICAS ESTRUTURAIS ..................................................... 175 5 MUTAÇÕES CROMOSSÔMICAS NUMÉRICAS ........................................................ 177 5.1 EUPLOIDIAS ............................................................................................................. 177 5.2 ANEUPLOIDIAS ........................................................................................................ 177 5.2.1 Nulissomias (2n – 2, de um mesmo par) ................................................................ 177 5.2.2 Monossomia (2n-1)................................................................................................. 178 5.2.3 Trissomia (2n +1) .................................................................................................... 180 RESUMO DO TÓPICO 4 ................................................................................................ 185 AUTOATIVIDADE ........................................................................................................... 186 TÓPICO 5 - ELEMENTOS DE TRANSPOSIÇÃO .......................................................... 189 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 189 2 TRANSPÓSONS .......................................................................................................... 189 3 A DESCOBERTA DOS TRANSPÓSONS .................................................................... 190 4 CLASSES DE TRANSPÓSONS .................................................................................. 192 4.1 TRANSPÓSONS CLASSE I (RETROTRANSPÓSONS) .......................................... 192 LEITURA COMPLEMENTAR ......................................................................................... 194 LEITURA COMPLEMENTAR II ...................................................................................... 195 RESUMO DO TÓPICO 5 ................................................................................................ 201 AUTOATIVIDADE ........................................................................................................... 202 AVALIAÇÃO ................................................................................................................... 203 REFERÊNCIAS .............................................................................................................. 205 G E N É T I C A UNIDADE 1 HERANÇA ObjEtIvOs DE ApRENDIzAgEm A partir desta unidade, você será capaz de: conhecer os aspectos históricos que levaram aos conhecimentos modernos sobre os mecanismos de herança; compreender os mecanismos de herança autossômica e sexual; inferir, através de cruzamentos, sobre tipos e mecanismos de herança em situações reais e hipotéticas; diferenciar os variados padrões que envolvem a transmissão de caracteres hereditários; interpretar cruzamentos reais e hipotéticos, calculando probabilidade nas descendências. TÓPICO 1 – ASPECTOS HISTÓRICOS DA GENÉTICA TÓPICO 2 – BASES CITOLÓGICAS E CROMOSSÔMICAS DA HERANÇA TÓPICO 3 – HERANÇA AUTOSSÔMICA TÓPICO 4 – HERANÇA DOS CROMOSSOMOS SEXUAIS pLANO DE EstUDOs Esta unidade está dividida em quatro tópicos. No final de cada um deles, você encontrará autoatividades que o(a) ajudarão a refletir e a fixar os conhecimentos abordados. G E N É T I C A G E N É T I C A ASPECTOS HISTÓRICOS DA GENÉTICA 1 INTRODUÇÃO TÓPICO 1 Podemos observar que a história da genética funde-se nas primeiras ideias sobre os mecanismos que envolvem o processo reprodutivo, seja na espécie humana ou em plantas e animais, cuja domesticação transformou nossa cultura. Assim, os conhecimentos sobre a reprodução vegetal e animal, empíricos ou não, remontam os primórdios da agricultura e pecuária. Neste tópico você verá alguns aspectos históricos da genética, tais como: as primeiras ideias sobre a reprodução humana (teoria pré-formista), uma visão cronológica do desenvolvimento da genética e sua definição. Mais especificamente sobre os mecanismos que envolvem a hereditariedade em humanos, as primeiras ideias descritas soam bastante curiosas e permitem uma boa discussão com seus alunos. Tanto Hipócrates (460 a.C. – 377 a.C.) quanto Aristóteles (384 a.C. – 322 a.C.) desenvolveram hipóteses para o mecanismo de herança. Foi no século XVII, no entanto, que prevaleceu a Teoria Pré-formista, cujos postulados descreviam o espermatozoide como o reservatório de um ser humano pré-formado, o homúnculo (figura a seguir), delegando ao sexo feminino o papel de “terreno fértil”, onde tal célula é depositada e se desenvolve. UNIDADE 1 FIGURA 1 – O ESPERMATOZOIDE, SOB A ÓTICA PRÉ-FORMISTA FONTE: Disponível em: <http://www.naturalsciences.be/institute/associations/ rbzs_websitebjz/back/pdf/BJZ%20138%281%29/138_1_20_35html/Volume%20 138%281%29,%20pp.%2020-35_img_1.jpg>. Acesso em: 25 fev. 2013 UNIDADE 1TÓPICO 14 G E N É T I C A 2 CRONOLOGIA Na sequência, observe o esquema que apresenta a cronologia de alguns eventos importantes na história da Genética. FIGURA 2 – CRONOLOGIA DA HISTÓRIA DA GENÉTICA FONTE: O autor UNIDADE 1 TÓPICO 1 5 G E N É T I C A 3 DEFINIÇÃO DO TERMO GENÉTICA O termo genética vem do grego genetikós, que significa “o que é capaz de procriar”. Assim, entenda Genética como a ciência que estuda os genes, ou de uma forma mais ampla, a ciência que estuda os mecanismos envolvidos na hereditariedade. O radical gene, neste caso, pode assumir diferentes conceitos, conforme as subdivisões da genética que estudaremos posteriormente. Um exemplo é o estudo do gene e sua expressão, que não necessariamente envolve a herança, mas um conjunto de conhecimentos em Biologia Molecular. De modo simplista, conveniente para este momento dos seus estudos, os genes podem ser entendidos como trechos específicos de filamentos de DNA (ácido desoxirribonucleico). NO TA! � Explicando a figura 1: Pré-formação:Homúnculo, “visualizado” no espermatozoide; EST UDO S F UTU RO S! � A Genética como ciência teve sua origem oficial, no entanto, após a publicação dos trabalhos de Gregor Mendel (1822-1844), que serão discutidos mais adiante. UNIDADE 1TÓPICO 16 G E N É T I C A RESUMO DO TÓPICO 1 Neste tópico você pôde verificar: • A Genética é a ciência que estuda os genes e os mecanismos envolvidos na hereditariedade. • O homem utiliza-se da Genética, mesmo de forma empírica, desde os mais remotos tempos, quando passou a dominar as culturas. • As primeiras ideias sobre a reprodução humana eram de natureza pré-formista. • Desde o fim do século XIX, com os trabalhos de Gregor Mendel, a Genética passou a ser uma ciência com um conjunto de princípios e procedimentos analíticos. • Com os avanços nos últimos anos, a Genética tem se mostrado promissora na resolução de muitos problemas enfrentados pelo homem e assume, também, um papel tecnológico, fonte de inúmeras discussões éticas. UNIDADE 1 TÓPICO 1 7 G E N É T I C A AUT OAT IVID ADE � 1 Faça a leitura do texto que segue e indique, pesquisando no PCN de Biologia para o Ensino Médio, as habilidades que podem melhor ser aplicadas à genética, dentro das seguintes competências: representação e comunicação, investigação e compreensão, e contextualização sociocultural. “[...] ampliar as possibilidades de compreensão e participação efetiva nesse mundo” e, dessa forma, desenvolver o saber científico e tecnológico como “[...] condição de cidadania, e não como prerrogativa de especialistas”. Por essa diretriz, o ensino das disciplinas científicas se reorienta para uma prática pedagógica que procura desenvolver nos alunos competências e habilidades. Mas o que significam as competências? Como traduzi-las na prática do ensino das disciplinas, no caso da Biologia? Tradicionalmente o ensino da Biologia tem sido organizado em torno das várias ciências da vida – Citologia, Genética, Evolução, Ecologia, Zoologia, Botânica, Fisiologia –, e as situações de aprendizagem, não raramente, enfatizam apenas a compreensão dessas ciências, de sua lógica interna, de seu instrumental analítico, de suas linguagens e conceitos, de seus métodos de trabalho, perdendo de vista o entendimento dos fenômenos biológicos propriamente ditos e as vivências práticas desses conhecimentos. Nessas circunstâncias, a ciência é pouco utilizada como instrumento para interpretar a realidade ou para nela intervir e os conhecimentos científicos acabam sendo abordados de modo descontextualizado. Assim, por exemplo, quando se ensina Genética na escola média, comumente se procura familiarizar os alunos com os códigos próprios dessa ciência, seus métodos experimentais e, de modo geral, não vai para além dessa abordagem. Não há uma preocupação em tratar o fenômeno da hereditariedade da vida de modo que o conhecimento aprendido seja instrumental e possa subsidiar o julgamento de questões que envolvam preconceitos raciais, ou facilitar o posicionamento diante de polêmicas relacionadas à produção e à utilização de organismos geneticamente modificados, ou ao emprego de tecnologias resultantes da manipulação do DNA. FONTE: PCN+, Orientações Curriculares Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais, p. 34. Disponível em: <http://portal.mec.gov.br/seb/arquivos/pdf/ CienciasNatureza.pdf>. Acesso em: 24 jul. 2008. UNIDADE 1TÓPICO 18 G E N É T I C A G E N É T I C A BASES CITOLÓGICAS E CROMOSSÔMICAS DA HERANÇA 1 INTRODUÇÃO TÓPICO 2 Os seres vivos manifestam parte de suas características fisiológicas e comportamentais com base em sua genética, que opera em nível celular e só depois no organismo como um todo. É imprescindível que você, caro(a) acadêmico(a), domine completamente o conhecimento de anatomia celular para a compreensão dos mecanismos de expressão gênica e de transmissão de características hereditárias. Neste tópico você entrará em contato com o conhecimento de Biologia Celular necessário ao entendimento da genética. A compreensão dos fundamentos anatomo-fisiológicos da citogenética será uma ferramenta importante para análises e inferências futuras. Vamos adiante! UNIDADE 1 2 O NÚCLEO O estudo do núcleo celular, que estamos começando, se dará com as células eucariotas, ou seja, providas de organização nuclear através da cariomembrana. FIGURA 3 – NÚCLEO INTERFÁSICO FONTE: Adaptado de: <http://kconline.kaskaskia.edu/bcambron/biology%20 117/Cells_files/image004.jpg>. Acesso em: 25 fev.13. UNIDADE 1TÓPICO 210 G E N É T I C A Considerando que a célula pode ou não encontrar-se em divisão, iniciaremos pelo momento da célula metabólica, ou seja, no período em que não ocorre a divisão celular. Este é o período de interfase, onde reconheceremos o núcleo como núcleo interfásico. Nesta fase, algumas estruturas são facilmente reconhecidas: a membrana nuclear, a cariolinfa, que é a matriz fundamental do núcleo, o nucléolo, que constitui uma região rica em RNAr (RNA - ribossômico) e proteínas. No entanto, a de maior importância para a genética está na estrutura denominada de cromatina. Esta é formada por um conjunto de vários cromonemas, ou seja, filamentos de DNA (ácido desoxirribonucleico) envoltos em proteínas denominadas de histonas. Com os eventos de divisão celular, a cromatina condensa, originando as estruturas que são denominadas de cromossomos. Veja no esquema que segue (figura a seguir), como a molécula de DNA forma a cromatina e sua condensação origina o cromossomo. Assim, se durante o período interfásico a célula mantém sua cromatina descondensada, toda divisão celular é precedida pela condensação desta cromatina. Parte dela já se encontra condensada, denominada de heterocromatina. Estas regiões tornam-se mais densamente coradas nas técnicas de microscopia, e em sua maioria são geneticamente inertes. Alguns estudos, no entanto, demonstram serem ativas em alguns pontos ao longo do cromossomo e participam ativamente na organização de nucléolos e na vizinhança dos centrômeros. As porções não condensadas da cromatina são compostas principalmente por trechos de DNA ativo e denominam-se de eucromatina (figuras 5 e 6). FIGURA 4 – ORGANIZAÇÃO DO MATERIAL GENÉTICO FONTE: Adaptado de: <http://faculty.jsd.claremont.edu/jarmstrong/images/chromatin. gif>. Acesso em: 4 fev. 2008. IMP OR TAN TE! � Para uma melhor compreensão da genética é fundamental que você, caro(a) acadêmico(a), faça uma revisão dos conteúdos que envolvem os fenômenos de divisão celular. O conhecimento pleno dos fenômenos que envolvem a Mitose e a Meiose são pré-requisitos básicos para compreender muitos fenômenos que serão aqui abordados. UNIDADE 1 TÓPICO 2 11 G E N É T I C A FIGURA 5 – CROMATINA FIGURA 6 – CÉLULA EUCARIÓTICA FONTE: Adaptado de: <http://3.bp.blogspot.com/- cTTAHlCm-hQ/UM8Am2z3buI/AAAAAAAACuM/ s4q0gfHdXBo/s1600/chromatin+structure.jpg>. Acesso em: 25 fev. 2013. FONTE: Disponível em: <http://upload. wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/ Micrograph_of_a_cell_nucleus.png>. Acesso em 25 fev. 2013. NO TA! � A Figura 6 – Célula eucariótica – é uma fotomicrografia mostrando regiões densamente coradas, onde há cromatina altamente condensada (heterocromatina). 3 EMPACOTAMENTO DO MATERIAL GENÉTICO E O CÓDIGO DE HISTONAS Você pôde perceber que a organização do material genético na forma de cromossomos é resultado da compactação da cromatina. Dentre muitas funções desta compactação, tenha em mente que proteger o material genético durante os eventos de divisão celular é primordial. Também se destaca a organização do material para que a divisão aconteça, de forma que a célula tenha maior facilidade para deslocar o material genético para polos, placa equatorial etc. Qualquer pessoaque já tenha organizado uma ou duas malas para uma viagem, sabe a importância da organização dos espaços e compactação do que será levado. Um exemplo de compactação pode ser observado no cromossomo 22, que, esticado, mede 1,5 cm de comprimento (observe que este tamanho é gigante para os padrões celulares). Completamente compactado, este cromossomo mede 2 µm (ALBERTS et al, 2010). Os mecanismos de compactação do DNA seguem um padrão intrincado e complexo, envolvendo principalmente proteínas denominadas de histonas. Agrupando-se em número de oito (octâmero de histonas) as histonas formam uma estrutura a qual o DNA se enrola, perfazendo 1,7 volta. Tal agrupamento de histonas denomina-se nucleossomo. Desenrolando a cromatina você visualizará uma estrutura que lembra um “colar de contas”, formado pelos UNIDADE 1TÓPICO 212 G E N É T I C A nucleossomos (contas) separados por DNA de ligação, com aproximadamente 82 nucleotídeos. Visualize que os movimentos de aproximação e afastamento nos nucleossomo entre si, impactam no grau de compactação cromossômico (Figura 5), e, consequentemente no seu acesso pela célula. Adiantando alguns conhecimentos que veremos à frente, entenda que os genes, sequências nucleotídicas que são parte do DNA, estão arquivados de forma compactada na célula, e o seu acesso é restrito e obedece a um processo orquestrado pela célula e por fatores ambientais. DIC AS! Sendo estruturas proteicas, as histonas mantêm-se amplamente conservadas no processo evolutivo, diferenciando-se fracamente entre os organismos. As funções exercidas na compactação e proteção ao DNA estão intrinsicamente relacionadas com a posição e sequência de aminoácidos na proteína, de forma que quaisquer alterações nesta organização podem ser fatais para a célula. Assim, mutações que induzem a malformações na estrutura das histonas tendem a ser letais e estão relacionadas ao câncer. Sugiro um aprofundamento, lendo o artigo de Menditi, K.B.C. e Kang, H.C. “O Papel das Proteínas Histonas nas Neoplasias Hematológicas”. Revista Brasileira de Cancerologia 2007; 53 (4): 453-460, disponível em <http://www.inca.gov.br/rbc/n_53/v04/pdf/revisao2.pdfz>. Observe na figura a seguir que as histonas projetam, para fora de seu cerne, uma cauda N-terminal de aminoácidos. Esta cauda sofre, com frequência, modificações covalentes, com reflexo na organização e no acesso ao DNA. FIGURA 7 - ORGANIZAÇÃO DO NUCLEOSSOMO A PARTIR DAS OITO HISTONAS FONTE: Adaptado de: <http://www.nature.com/nrc/journal/v1/n3/fig_tab/nrc1201-194a_ F1.html>. Acesso em: 12 ago. 2012. Observações recentes revelam que a organização dos nucleossomos e a correspondente compactação cromossômica revela um modelo conhecido por “ziguezague”, em substituição ou complementação ao modelo “colar de contas”, conforme pode ser observado na figura a seguir. UNIDADE 1 TÓPICO 2 13 G E N É T I C A FIGURA 8 - ORGANIZAÇÃO EM ZIGUEZAGUE DA CROMATINA FONTE: Adaptado de: Karolin Luger, Mekonnen L. Dechassa & David J. Tremethick. New insights into nucleosome and chromatin structure: an ordered state or a disordered affair? Nature Reviews Molecular Cell Biology 13, 436-447. 2012. IMP OR TAN TE! � É fundamental que você entenda a estrutura cromossômica como dinâmica, de forma que a compactação, ao mesmo tempo em que protege e organiza o material genético em diferentes fases da vida da célula, não pode obstruir o acesso por fatores que ativarão os genes (futuramente chamaremos de fatores de transcrição). Desta forma, a interface Histona/DNA é dinâmica, permitindo o acesso aos “dados” quando necessário. Cada histona pode sofrer certo grau de modificação (acetilação, metilação, fosforilação etc.) em sua cauda exposta, com consequências para o funcionamento do genoma. Uma metilação (adição de radical metil CH3), por exemplo, no aminoácido Lisina de histona H3, tem efeito e inativação do DNA. O fenômeno da acetilação (adição de grupamento acetila à cauda), por sua vez, tem efeito de relaxar a interface histona/DNA, favorecendo o acesso à informação genética. Você pode concluir, portanto, que as diversas combinações de modificações nas estruturas proteicas das histonas, interferem na maneira de como o DNA responde ao meio e às necessidades celulares. Esta diversidade de combinações de modificações nas histonas é geralmente o que chamamos de Código de Histonas. Perceba que, por mais que você tenha uma informação genética (mutada ou não), a resposta depende também das modificações que garantem o acesso ao DNA e não somente do próprio genoma. Em suas aulas de Genética, não seja muito determinista, tome cuidado sobre as inferências acerca da herança. O fato de herdar um gene não implica manifestá-lo. FIGURA 9 - MODIFICAÇÕES NA ESTRUTURA DA HISTONA FONTE: Adaptado de: <http://www.imt.uni-marburg.de/bauer/research.html>. Acesso em: 12 ago. 2012. UNIDADE 1TÓPICO 214 G E N É T I C A EST UDO S F UTU RO S! � O código de histonas é parte integrante de um fenômeno de marcações no genoma, interagindo com o meio e formando um código epigenético. Estudaremos Epigenética mais adiante. 4 O CROMOSSOMO A observação dos cromossomos é realizada durante a mitose, mais precisamente na fase denominada de metáfase, onde estas estruturas atingem seu grau de condensação máxima e são facilmente visíveis ao microscópio óptico com o auxílio de corantes. Assim, apresentam uma espessura máxima e um comprimento mínimo que podem ser distinguidos entre si e entre indivíduos. Podem ser então classificados, conforme seu comprimento e localização do centrômero. Este constitui uma região especializada de DNA, onde se ligam proteínas que organizarão a divisão celular. Observe na figura a seguir as principais partes de um cromossomo. FIGURA 10 – CROMOSSOMO FONTE: Adaptado de: <http:/ /www.copernicusproject.ucr.edu/ssi/ HighSchoolBioResources/DNA/chromosome.gif>. Acesso em: 5 fev. 2008. Você pode verificar nas figuras aqui apresentadas que há um estreitamento ao longo do cromossomo. Esta estrangulação principal divide o cromossomo em dois braços e é conhecida por zona de constrição primária, onde se encontra o centrômero. Há também zonas de constrição secundária e estas originam a região cromossômica denominada de zonas SAT ou satélite. Os cromossômicos recebem uma classificação conforme a posição do centrômero, que pode ser verificada na figura a seguir. UNIDADE 1 TÓPICO 2 15 G E N É T I C A FIGURA 10 – CROMOSSOMO FIGURA 11 – CLASSIFICAÇÃO DOS CROMOSSOMOS A – Telocêntrico apresenta o centrômero na posição terminal (não ocorre em nossa espécie). B – Acrocêntrico. Centrômero elevado gerando um braço curto. Observe a seta indicando outra constrição e gerando a zona satélite. C – Submetacêntrico. Centrômero com pequeno deslocamento da posição central. D – Metacêntrico. Centrômero na posição central, produzindo braços de igual tamanho. FONTE: Adaptado de: <http://www.infoescola.com/ imagens/cromossomos3.jpg>. Acesso em: 4 fev. 2008. UNI Na sequência, serão apresentadas algumas técnicas de análise dos cromossomos e que demonstra o processo de sua identificação. Boa leitura! 4.1 TÉCNICAS DE ANÁLISE DOS CROMOSSOMOS As técnicas que permitem a visualização de cromossomos para comparação e análise constituem uma ciência denominada de citogenética. A ciência da citogenética humana moderna, data de 1956, quando Tjio e Levan criaram técnicas eficazes para análise dos cromossomos e evidenciaram que o número normal de cromossomos, em humanos, é de 46. Na metáfase, os cromossomos aparecem ao microscópio como uma dispersão cromossômica e cada cromossomo apresenta duas cromátides, unidas pelo centrômero. 4.1.1Cultura celular As células para análise cromossômica devem ser capazes de crescimento e divisão rápidaem cultura. As células mais acessíveis são os leucócitos, especificamente linfócitos T. Na sequência, veja como preparar, em curto prazo, uma cultura destas células adequadas para análise: UNIDADE 1TÓPICO 216 G E N É T I C A a) obtém-se uma amostra de sangue periférico e acrescenta-se heparina para evitar coagulação; b) a amostra é, em seguida, centrifugada a uma velocidade que permita aos leucócitos se sedimentarem como uma camada distinta; c) os leucócitos são colhidos, colocados em meio de cultura tecidual e estimulados a dividir-se pelo acréscimo de um agente mitogênico (estimulante da mitose), a fito-hemaglutinina; d) a cultura é incubada por cerca de 72 horas, até que as células estejam se multiplicando rapidamente; e) acrescenta-se, então, uma solução diluída de colchicina, para impedir a conclusão da divisão celular, inibindo a formação de fusos e retardando a separação dos centrômeros. Em consequência disso, as células paradas na metáfase acumulam-se na cultura; f) em seguida, adiciona-se uma solução hipotônica para causar tumefação nas células, lisando-as e liberando os cromossomos, mas mantendo os centrômeros intactos; g) os cromossomos são fixados, espalhados em lâminas e corados por uma das várias técnicas e prontos para análises. 4.1.2 Identificação dos cromossomos Os métodos de coloração originalmente disponíveis não permitiam a identificação dos 24 tipos de cromossomo. Contudo, com as técnicas atualmente empregadas, identificam-se todos os cromossomos. Vários métodos de bandeamento são empregados rotineiramente nos laboratórios de citogenética para identificação dos cromossomos e análise da estrutura cromossômica. • Bandeamento G Os cromossomos são inicialmente tratados com tripsina, para a desnaturação das proteínas cromossômicas e em seguida são corados com o corante Giemsa. Cada par de cromossomos cora-se num padrão típico de bandas claras e escuras. • Bandeamento Q Os cromossomos são tratados com quinacrina-mostarda ou compostos semelhantes e em seguida examinados por microscopia de fluorescência. Os cromossomos coram-se num padrão específico de bandas brilhantes e opacas (bandas Q). As bandas brilhantes correspondem quase exatamente às bandas G escuras. UNIDADE 1 TÓPICO 2 17 G E N É T I C A • Bandeamento R Os cromossomos recebem pré-tratamento com calor antes da coloração Giemsa. Nesse caso, as bandas claras e escuras resultantes (bandas R) são o inverso das produzidas por bandeamento G ou Q. • Bandeamento C Envolve a coloração da região centromérica de cada cromossomo e outras regiões que contenham heterocromatina. • Bandeamento de alta resolução Esse tipo de bandeamento cora cromossomos preparados num estágio inicial da mitose (prófase ou prometáfase) que estão ainda em uma condição relativamente não condensada. • Citogenética molecular Podem-se usar sondas de DNA específicas para cromossomos ou regiões cromossômicas particulares ou diagnosticar rapidamente a existência de um número anormal de cromossomos no material clínico. FONTE: TASSO, Eletéa. Estrutura dos cromossomos humanos. Disponível em: <http://virtual.epm. br/cursos/genetica/htm/estru.htm>. Acesso em: 9 maio 2008. Alguns conceitos são indispensáveis para o nosso estudo e você já deve ter visto no Ensino Médio. Na sequência, são apresentados estes conceitos, que são: a) Cariótipo – é o conjunto cromossômico somático de um indivíduo, definido pelo número e pela morfologia cromossômica obtida por técnicas especiais durante a metáfase mitótica. b) Células diploides – representadas por “2n” apresenta dois “lotes” cromossômicos, ou dois genomas em sua organização individual. A divisão mitótica mantém esta quantidade cromossômica nas células-filhas, enquanto a meiose reduz esta quantidade ao meio, tornando as células-filhas haploides (n). Os indivíduos com este nível de organização são ditos diploides e as células somáticas são exemplos de células diploides. c) Células haploides – são as células “n”. Apresentam apenas um lote cromossômico. São originadas por mitose de outras células haploides ou por meiose de células diploides. Os gametas e os esporos são exemplos deste tipo celular. UNIDADE 1TÓPICO 218 G E N É T I C A FIGURA 12 – BANDAS CROMOSSÔMICAS FIGURA 13 - IDEOGRAMA COM OS CROMOSSOMOS HUMANOS BANDEADOS FONTE: Adaptado de: <http://www.physics. uwo.ca/science_olympics/images/If%20 the%20key%20fiits%2002.gif>. Acesso em: 9 maio 2008. FONTE: Adaptado de: <http://www.physics.uwo.ca/ science_olympics/images/If%20the%20key%20fiits%20 02.gif>. Acesso em: 9 maio 2008. Para que você possa compreender a importância do bandeamento cromossômico, é importante antes saber que cada padrão, como num código de barras, é único e constante para cada cromossomo normal da espécie. A análise comparativa de bandeamentos constitui, então, uma ferramenta que pode ser importante em algumas situações clínicas e também em taxonomia. Burns & Bottino (1991) descrevem um dos primeiros bandeamentos utilizados como ferramenta comparativa em taxonomia, que foram a comparação do cariótipo bandeado de homem (Homo sapiens), 2n=46 com o do gorila (Gorilla gorilla), o chimpanzé (Pan troglodytes) e o orangotango (Pongo pygmaeus). Estes animais apresentam número diploide de cromossomos 2n=48. DIC AS! Caro(a) acadêmico(a)! Em minha experiência com o ensino de genética, pude verificar uma situação que frequentemente gerou confusão na compreensão global da organização numérica e estrutural do cariótipo. Refiro-me ao fenômeno da duplicação dos cromossomos. Para tanto, peço a você atenção especial em seus estudos sobre o fenômeno da divisão celular. No período interfásico denominado de ”S”, que antecede a divisão celular mitótica ou meiótica, a cromatina sofre o processo de duplicação, originando uma cópia de sua sequência. Assim, ao condensar-se, cada cromossomo encontra-se duplicado e, portanto com duas cromátides. Observe que a célula que segue apresenta quatro cromossomos duplicados, e, portanto, oito cromátides. UNIDADE 1 TÓPICO 2 19 G E N É T I C A FIGURA 14 – CÉLULA DIPLOIDE EM METÁFASE (2n=4). FONTE: Adaptado de: <http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke/ mitosis3.gif>. Acesso em: 6 fev. 2008. Para encerrar este tópico, vamos classificar os cromossomos conforme o tipo de herança a que ele está envolvido. Alguns cromossomos estão diretamente relacionados à determinação do sexo e serão futuramente denominados de cromossomos heterossômicos ou sexuais. Os cromossomos não sexuais são denominados de autossômicos. EST UDO S F UTU RO S! � Os tipos de herança e as principais diferenças entre estes cromossomos serão abordados nos dois tópicos seguintes. UNIDADE 1TÓPICO 220 G E N É T I C A RESUMO DO TÓPICO 2 Neste tópico você pôde verificar: • A maior parte do material genético encontra-se no núcleo celular. • Durante a interfase, o material genético encontra-se na forma de cromatina, que se condensa na divisão celular, originando os cromossomos. • Cada cromossomo constitui então, um longo filamento de DNA, onde encontramos os genes. • Anatomicamente, cada cromossomo, desde que não seja telocêntrico, apresenta dois braços separados pelo centrômero e pode ainda apresentar outros pontos de constrição, gerando as zonas satélite. • O estudo comparativo dos cromossomos é importante no diagnóstico de doenças e também na comparação taxonômica. Isto porque podemos inferir sobre o tamanho, tipo, número de cromossomos e ainda sobre o padrão de bandas. • As células somáticas são diploides (2n), por apresentar dois conjuntos de cromossomos, enquanto os gametas e os esporos são haploides (n), constituídos por apenas um conjunto deles. UNIDADE 1 TÓPICO 2 21 G E N É T I C A AUTOAT IVID ADE � 1 As doenças humanas causadas por alterações numéricas e estruturais nos cromossomos são diagnosticadas pela técnica de bandeamento descrita neste tópico. Para fixar a importância desta técnica e como introdução para os estudos futuros, pesquise e cite três destas doenças humanas que são causadas por alterações cromossômicas numéricas ou estruturais e que são diagnosticadas a partir da técnica de bandeamento cromossômico. 2 Explique, baseando-se em sua compreensão do código de histonas, como uma informação genética, por mais que esteja no genótipo de um indivíduo, pode não se manifestar. UNIDADE 1TÓPICO 222 G E N É T I C A G E N É T I C A HERANÇA AUTOSSÔMICA 1 INTRODUÇÃO TÓPICO 3 Considerando a genética humana como exemplo, podemos dividir a herança em autossômica e heterossômica ou sexual. Os cromossomos autossômicos são encontrados em situação totalmente homóloga em nossas células. As características herdadas a partir da ação dos genes localizados nestes cromossomos são ditas somáticas e poderão ser visualizadas neste tópico. A herança associada aos cromossomos sexuais, visualizaremos mais adiante. O estudo da hereditariedade, no entanto, não teve início com a genética humana, mas com uma planta, que traz vantagens logísticas para a realização de experimentos e análise dos resultados. Vamos entender estes estudos em um contexto histórico: continue sua leitura! UNIDADE 1 2 GREGOR MENDEL (1822 – 1884) Os princípios biológicos que regem a hereditariedade foram inicialmente demonstrados através de uma célebre apresentação (1865) de experimentos realizados com ervilhas (Pisum sativum). Estes experimentos foram realizados por um monge nascido no distrito da Morávia, no então Império Austro-húngaro, chamado Johann Gregor Mendel, rebatizado apenas como Gregor Mendel por ocasião do celibato. O objeto de estudo de Mendel, a ervilha de jardim (Pisum sativum), oferece algumas vantagens para estudos desta natureza: a) possuía disponibilidade de semente com grande número de variações quanto a cor, forma da semente, tamanho da planta etc.; UNIDADE 1TÓPICO 324 G E N É T I C A b) são baratas e fáceis de obter; c) possuem ciclo de vida relativamente curto, o que permite analisar muitas gerações; d) apresentam autofecundação e fecundação cruzada, o que facilita o controle do experimento; e) ocupam pouco espaço; f) produzem muitos descendentes. FIGURA 15 – JARDIM DE MENDEL FIGURA 16 – ERVILHA DE JARDIM (Pisum sativum) FONTE: Disponível em: <http://cienciahoje.uol. com.br/banco-de-imagens/lg/web/images/ch- on-line/colunas/deriva/67324b.jpg>. Acesso em: 25 fev. 2013. FONTE: Disponível em: <http://ih0.redbubble. net/image.3409978.9849/flat,550x550,075,f.jpg>. Acesso em: 25 fev. 2013. Os resultados publicados por Mendel foram ignorados pela comunidade científica da época, apesar de terem sido bem conduzidos e matematicamente demonstrados. Em 1900, portanto, após a morte de Mendel (1884), Hugo de Vries (Holanda), Correns (Alemanha) e Tshermak (Áustria), trabalhando de forma independente, chegaram aos mesmos resultados de Mendel, embora desconhecessem seu trabalho. De Vries, no entanto, foi o primeiro a reconhecer seu trabalho, enaltecendo sua importância e dando-lhe a projeção devida. Que eventos conduziram um monge agostiniano às descobertas dos mecanismos da hereditariedade biológica? A natureza do ambiente encontrado por Gregor Mendel ao incorporar a Ordem Agostiniana na abadia Agostiniana de Brno (Áustria), em 1843, era resultado de uma série de circunstâncias históricas. Em 1780, uma mudança na política para as instituições religiosas de todo o império obrigou estas a servirem também ao Estado. Os membros de ordens monásticas foram incorporados ao trabalho nas escolas e nos hospitais. Em 1807, uma ordem imperial exigiu que os Agostinianos de Brno fizessem o exame para o ensino de Matemática e de Estudos bíblicos UNIDADE 1 TÓPICO 3 25 G E N É T I C A no recentemente criado Instituto de Filosofia e na Faculdade de teologia de Brno. Isto resultou em um ambiente monástico rico intelectualmente e com ferramentas didáticas avançadas, como coleções botânicas e literárias, incluindo textos científicos e humanistas do renascimento. A abadia tornou-se então um ambiente de aprendizagem, e, Gregor Mendel, filho de fazendeiros, mostrou-se particularmente interessado por ciências naturais, mais especificamente ligadas à agricultura. Assim, inclui estas ciências em seu certificado, juntamente com estudos bíblicos, teológicos e línguas antigas como grego e árabe. Os campos de estudos de Mendel ampliaram em direção à física, astronomia e meteorologia, o que possibilitou ao monge refinar sua visão matemática dos fenômenos naturais e posteriormente aplicá-la aos mecanismos de herança. Seu método de pesquisa é bastante apurado e consiste basicamente na identificação das diferentes variáveis, isolando seus efeitos, medindo-as meticulosamente e sujeitando-as à análise matemática. Na sequência, veja um cronograma da vida e obra de Gregor Mendel: QUADRO 1 – CRONOGRAMA DA VIDA E OBRA DE GREGOR MENDEL 1822 Nascido em 20 de julho (batizado em 22 de julho) em Hyncice, Moravia (Áustria). Filho do casal de fazendeiros Anton e Rosina. 1831 - 1833 Ingressou na escola primária em Hyncice e no outono de 1833 mudou-se para a escola de Piaristi em Lipnik. 1834 - 1840 Estudou o ginasial em Opava (Escola de Gramática). Mendel ajudou a pagar seus estudos dando aulas particulares a seus companheiros. 1840 – 1843 Ingressou no Instituto de Filosofia em Olomuc, onde estudou Matemática, Física, Filosofia e Ética. 1843 Ingressou na Ordem Agostiniana na abadia Agostiniana de Brno. 1845 - 1848 Frequentou o Instituto de Teologia (Brno). Completou o curso de Agricultura. 1847 É ordenado padre. 1849 - 1851 É nomeado professor substituto no ginásio em Znojmo e no Colégio Técnico de Brno. 1851 - 1853 Na universidade de Vienna estudou Física, Matemática e História Natural. 1854 Construiu uma casa de vegetação no jardim da abadia. 1854 - 1868 Trabalhos experimentais com ervilhas de jardim. Realizou experimentos de hibridização, com especial atenção à espécie Pisum sativum. Gastou dois anos selecionando linhagens puras desta espécie. 1861 Cofundou a “Sociedade de História Natural” em Brno. 1862 Mendel leu a tradução alemã da segunda edição (1860) de “A origem das Espécies” de Charles Darwin, anotando em suas margens. 1865 Leu, durante os encontros de fevereiro e março da Sociedade de História Natural, em Brno, seu texto: “Experimentos em Plantas Híbridas”. 1866 Publicou sua leitura, trabalho que só postumamente lhe renderia o título de pai da Genética. 1871 Construção de uma casa para criação de abelhas, no jardim da abadia. 1881 Tornou-se diretor do Banco Mortgage de Moravia (Brno). 1884 Morre em 6 de Janeiro. FONTE: Traduzido e adaptado de: http://www.xtimeline.com/timeline/Life-and-Accomplishments-of- Gregor-Mendel. Acesso em: 26 fev. 2013. UNIDADE 1TÓPICO 326 G E N É T I C A 3 NOÇÕES BÁSICAS DE PROBABILIDADE Para que você, caro(a) acadêmico(a), entenda bem os mecanismos de hereditariedade, se faz necessário relembrar alguns conceitos básicos da teoria da probabilidade. Observe, então, estes dois princípios básicos desta teoria, que são: probabilidade de ocorrência de dois eventos simultâneos e exclusivos e probabilidade de ocorrência de dois eventos simultâneos e não exclusivos. 3.1 PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA DE DOIS EVENTOS SIMULTÂNEOS E EXCLUSIVOS No arremesso de um dado, a probabilidade de você acertar um número é de 1/6. No entanto, se você puder escolher dois números (3 e 4, por exemplo), sua probabilidade de acerto aumenta, pois você terá uma ou outra (3 ou 4) possibilidade. Assim,somam-se as probabilidades de cada evento que ocorre independentemente: P (A ou B) = P(A)+(B), ou seja, (1/6) + (1/6) = 2/6 ou 1/3. 3.2 PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA DE DOIS EVENTOS SIMULTÂNEOS E NÃO EXCLUSIVOS Tomando o mesmo exemplo dos dados, observe que, se você fizer dois lançamentos consecutivos, a probabilidade de obter um 4 no primeiro lançamento e um 3 no lançamento seguinte, sua probabilidade de acerto é menor do que se você fizesse apenas uma aposta. Na prática, você está apostando que realizará dois acertos consecutivos. Assim, se a ordem dos acontecimentos for importante, você deve multiplicar as probabilidades de ocorrência do evento: P (A). P(B), ou seja, (1/6). (1/6) = 1/36. Caso a ordem não importe, ou seja, a probabilidade de você tirar, no dado, 4 e 5 ou 5 e 4, será: P(A e B) ou P(B e A) = P(A e B) + P(B e A), ou seja, (1/36) + (1/36) = 2/36 ou 1/18. Resumindo, na ocorrência de A e B (regra do e)= você deve multiplicar as probabilidades. Enquanto que, na ocorrência de A ou B (regra do ou)= você deve somar as probabilidades. 4 PRIMEIRA LEI DE MENDEL Comecemos nossos estudos em herança mendeliana revendo alguns experimentos realizados por Mendel. Inicialmente, escolheremos algumas características para avaliar seu UNIDADE 1 TÓPICO 3 27 G E N É T I C A mecanismo de transmissão hereditária. Mendel utilizou-se de sete características em ervilhas (figura a seguir) e a partir de cruzamentos determinou sua hereditariedade. Ao escolher a característica, este cientista teve o cuidado de obter linhagens puras, através de cruzamentos realizados por mais de dois anos. Esta pureza da linhagem significa que, ao longo dos cruzamentos, não foram observadas variações das características nas gerações produzidas. FIGURA 17 – CARACTERÍSTICAS DE ERVILHAS ESTUDADAS POR MENDEL FONTE: Adaptado de: <http://beautifulcoolwallpapers.files.wordpress.com/2011/07/03-mendel- characters2.jpg>. Acesso: em 26 fev.2013. Ao cruzar ervilhas, visualizamos que Gregor Mendel trabalhou com características de forma isolada: analisou a cor da semente em ervilhas, por exemplo, atribuindo a ela duas variações para tal característica - verdes e amarelas-. Realizou então os seguintes cruzamentos: 1 – P: Verde x Verde F1 = 100% Verde 2 – P: Amarela x Amarela F1 = 100% Amarela 3 – P: Verde x Amarela F1 = 100% Amarela Para tentar visualizar melhor os resultados obtidos, Mendel realizou um experimento que lhe permitiu visualizar se as ervilhas descendentes do cruzamento 3, apesar de amarelas, eram geneticamente iguais as ervilhas amarelas usadas no cruzamento 2. Ele deduziu que UNIDADE 1TÓPICO 328 G E N É T I C A as ervilhas descendentes dos dois primeiros cruzamentos eram puras, fato que ele controlou ao longo de muitas gerações de cruzamentos, o que não ocorria na F1 do cruzamento 3, que eram híbridas. Assim, Mendel deixou a F1 se autofecundar, e obteve os seguintes resultados: 4 – F1 x F1 F2 = 75% Amarela e 25% verde (3:1) Falta agora, com tais resultados, fundamentar sua explicação para o obtido, e Mendel fez com base nas premissas: - Cada caráter é determinado por dois fatores (AA=amarela pura e aa=verde pura). - Na formação dos gametas, os fatores segregam-se, indo um para cada gameta. - Como na fecundação os gametas se unem ao acaso, tais fatores também se encontram no zigoto de forma casuística. Acompanhe no esquema os cruzamento 3 e 4 sob esta nova perspectiva: Cruzamento 3 P = AA x aa P: Verde x Amarela Gametas = A e a F1 = 100% Amarela Aa A a Mendel concluiu, neste cruzamento, que a obtenção de uma F1 totalmente formada por ervilhas amarelas, mesmo filhas de pais verde e amarela, implica uma dominância deste fator sobre o verde. Cruzamento 4 F1 x F1 = Aa x Aa F1 x F1 F2 = 75% Amarela e 25% verde (3:1) Gametas = A e a A e a A a A AA Aa a Aa aa Para a correta explicação da proporção 3:1 obtida neste último cruzamento, precisamos admitir que: - Os gametas portadores dos fatores A e a ocorrem na mesma proporção. UNIDADE 1 TÓPICO 3 29 G E N É T I C A - O encontro dos gametas na fecundação ocorre totalmente ao acaso. Considerando os resultados obtidos por Mendel, podemos inferir que: A afirmação acima constitui, então, a 1ª Lei de Mendel, também conhecida por Lei da Herança Monoíbrida ou Lei da Segregação dos Fatores. Obviamente que, para a conclusão desta lei, Mendel realizou um grande número de experimentações, envolvendo outras seis características das ervilhas, apontadas na Figura 17. Observe agora, caro(a) acadêmico(a), alguns conceitos importantes que se aplicam ao conhecimento proposto por Mendel, porém numa perspectiva mais atual. • Gene – apresenta um conceito bastante amplo, mas neste contexto da herança, constitui o que Mendel chamou de “fator”, e que determina um caráter. Substitua a palavra “fator” do enunciado da 1ª Lei de Mendel, e reconheça o conceito mais moderno. • Caráter - é um determinado aspecto do indivíduo. Uma manifestação do gene. Não deve ser confundido com variação. Veja: a forma da semente em ervilhas é um caráter, assim como a cor. Lisa/rugosa e verde/amarela são variações deste caráter. • Fenótipo – Um caráter discernível do indivíduo, associado à condição genética. Pode ou não sofrer ações do ambiente. O fenótipo pode ser entendido como aquilo que você “é”, ou seja, a característica manifestada. • Genótipo – Geralmente expresso em letras (A/a, B/b, E/e etc.) o genótipo é a representação da constituição genética do indivíduo. Pode ser entendido por quilo que você “tem”. • Homozigoto – apresenta em seu par de alelos o mesmo tipo de gene, ou seja, genes que determinam a mesma variação. Representação: AA e aa, por exemplo. • Heterozigoto – apresenta em um mesmo par alelo, as duas formas diferentes do gene, ou seja, os genes para ambas as variações. Se o tipo de herança for de dominância completa, a forma fenotípica manifestada é a dominante. UNI Cada caráter é determinado por dois fatores, que se separam na formação dos gametas e se unem, ao acaso, na fecundação. UNIDADE 1TÓPICO 330 G E N É T I C A NO TA! � Nem sempre aquilo que você “tem”, representa aquilo que você “é”. Um exemplo: o aumento da estatura média dos adolescentes nos últimos anos é resultado de uma melhor oferta de alimentos na população e não uma alteração na constituição genética dos indivíduos. Assim, um adulto que sofreu desnutrição infantil pode ter uma constituição genética para ser alto, mas não manifestou o caráter por questões ambientais (má alimentação). Desta forma, sua altura constitui aquilo que ele é (fenótipo) e não aquilo que ele tem (genótipo), que é um potencial para ser mais alto. DIC AS! Sugiro que você, em suas aulas de Genética, utilize o máximo de recursos disponíveis para explicar este conhecimento clássico, chamado em nosso meio de “mendelismo”. Este conhecimento é a base na qual os estudantes construirão um conhecimento sólido em Genética. Proponho abaixo uma atividade sobre o tema, publicada em: “Cruzamentos mendelianos”: o bingo das ervilhas. FERREIRA, F. E.; et al. Revista Genética na Escola. 05.01, p. 05-12. 2010. Disponível em: <http://geneticanaescola.com.br/vol-v1-artigo-02/>. Veja, na sequência, outro ponto de vista do resultado do cruzamento entre heterozigotos para a cor da semente. Lembre-se: o heterozigoto, aqui representado por Aa, apresenta coloração amarela devido à completa dominância do alelo A sobre o a. Com bases nos conhecimentos acerca dos conceitos mais utilizados em genética mendeliana, você pode concluir que as proporções fenotípicas, neste cruzamento são diferentes das genotípicas. Veja: a proporção genotípicada descendência revela AA:1, Aa:2, aa:1, ou seja, uma proporção de 1:2:1 (comumente também apresentada como 25% de AA, 50% de Aa e 25% de aa). Já as proporções fenotípicas, que se referem à característica estudada mostra uma proporção de 3 Amarelas para 1 verde (ou ainda 75% de amarelas, contra 25% de verdes). • Alelo Dominante – prevalece sua variação sobre a forma recessiva. É representado por letras maiúsculas. Veja que no exemplo da cor das ervilhas o alelo dominante é A, e condiciona ervilhas de coloração amarela. • Alelo Recessivo – não se expressa em presença do alelo dominante. É representado por letras minúsculas. Você pode concluir que sua variação somente se manifesta em situação de homozigoze (aa). UNIDADE 1 TÓPICO 3 31 G E N É T I C A FIGURA 18 – CRUZAMENTO ENTRE PLANTAS HETEROZIGOTAS PARA A COR DA SEMENTE FONTE: Adaptado de: <http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/leis-de- mendel/imagens/primeira-lei-de-mendel-5.jpg>. Acesso em: 26 fev.2013. IMP OR TAN TE! � O alelo é uma das formas de um gene, que ocupa o mesmo lócus gênico em cromossomos homólogos. Você viu que as células diploides apresentam dois lotes cromossômicos correspondentes. Assim, para cada cromossomo, neste tipo celular, há um cromossomo correspondente. O lócus é um determinado “local“ do cromossomo, ou seja, uma unidade física ocupada por estes alelos. Assim, uma das características da herança genética é determinada por um par destes alelos (ex. AA, Aa ou aa). A figura a seguir ilustra bem esta situação. Veja que o gene “E” ocupa o mesmo lócus gênico ocupado pelo gene “e” em seu cromossomo homólogo. O mesmo ocorre com “T” e “t” no par de cromossomos menor. Assim, afirmamos que “E / e” são alelos, assim como “T / t” e “Q / q”. Por mais que estejam no mesmo cromossomo, “Q / E” não são alelos, pois não ocupam o mesmo lócus. FIGURA 19 – GENES ALELOS FONTE: Disponível em: <http://labspace.open.ac.uk/file.php/5694/S103_5_016i.jpg>. Acesso em: 26 fev. 2012. (a) dois pares de cromossomos homólogos; (b) um par de cromossomos homólogos. UNIDADE 1TÓPICO 332 G E N É T I C A DIC AS! Como qualquer outro cientista, Mendel deparou-se com valores que em muitas situações apenas se aproximam de uma expectativa, ou seja, os valores observados, por mais que se aproximassem, não atingiam sempre as proporções esperadas. É como lançar uma moeda 10 vezes e esperar que você vá obter sempre 5 caras e 5 coroas. Na prática isto não acontece, mas até que ponto pode-se dizer que há ou não uma tendência a um ou outro evento? Como aceitar ou rejeitar tais desvios? Para resolver este problema, há ferramentas estatísticas que dão conta do recado. Destaca-se aí o teste do (χ2) chi-quadrado (pronuncia-se a letra grega chi como qui). Sugiro a você, caro(a) acadêmico(a), que aprofunde seus estudos em genética, lendo sobre esta ferramenta estatística em GRIFFITHS, A. J. F.; MILLER, J. H. & LEWONTIN, R. C. Introdução à genética. 8. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2006. p. 39. 5 AUSÊNCIA DE DOMINÂNCIA As situações experimentadas por Mendel até este ponto demonstram casos de dominância completa, ou seja, uma característica recessiva somente se manifesta se tais alelos aparecerem em dose dupla (homozigoto recessivo). Isto porque há uma relação de dominância completa entre os alelos. No entanto, alguns alelos não apresentam relação de dominância entre si, caracterizando os casos de ausência de dominância. Embora o padrão de cruzamento seja o mesmo, é mais correto e prudente dividirmos esta ausência em dois tipos: herança intermediária e codominância. Independente da forma de ausência de dominância, a principal característica deste padrão de herança é a presença de um terceiro fenótipo. Isso significa, na prática, que o heterozigoto não manifesta a característica que seria dominante, mas um fenótipo intermediário. Atente agora para as diferenças entre as duas formas de ausência de dominância. Acompanhe! 5.1 HERANÇA INTERMEDIÁRIA (DOMINÂNCIA INCOMPLETA) Vamos ver o caso mais clássico desta herança: diz respeito à flor maravilha (Mirabilis jalapa), que pode apresentar três fenótipos para a cor das pétalas: Branca (genótipo BB), Vermelha (genótipo RR) e Rosa (genótipo RB). UNIDADE 1 TÓPICO 3 33 G E N É T I C A Acompanhe os cruzamentos na sequência: Vermelha –RR x Branca –BB FIGURA 20 – CRUZAMENTOS EM HERANÇA INTERMEDIÁRIA FONTE: Adaptado de: <http://us.monografias.com/docs57/mendel- laws/Image18089.gif>. Acesso em: 26 fev. 2013. VB V B V B V VV VB B VB BB VV x BB Gametas: V e B F1 VB x VB Gametas: V B V B F2 1 – Neste cruzamento, verificamos a produção de uma F1 100% Rosa, os seja, com genótipo VB. 2 – Do cruzamento da F1 entre si, obtemos as proporções 1: 2: 1, ou seja, 25% para vermelhas, 50% para rosas e 25% para brancas. VV = Vermelhas BB = Brancas VB = Rosas 5.2 CODOMINÂNCIA Mesmo que muitos autores não fazem uma distinção entre este tipo de herança e a herança intermediária, vamos separá-las para fins didáticos. Assim, a codominância caracteriza- se, não pela manifestação de um fenótipo intermediário, mas pela manifestação dos dois fenótipos homozigotos simultaneamente. Na prática, para efeito de cruzamentos, obtemos as mesmas proporções fenotípicas e genotípicas da herança intermediária. Destaca-se, neste UNIDADE 1TÓPICO 334 G E N É T I C A caso de herança, o sistema sanguíneo MN humano. Indivíduos com genótipo MM, ao cruzarem com indivíduos de genótipo NN, produzem descendência de indivíduos heterozigotos (MN), ou seja, que manifestam as duas variações para este caráter. 6 ALELOS LETAIS A manifestação de alguns genótipos proporciona um caso bastante especial na genética, denominado de letalidade, em que tais genótipos determinam a morte do indivíduo antes de atingir a idade reprodutiva. A principal consequência deste fenômeno para os princípios mendelianos está na alteração das proporções fenotípicas e genotípicas entre os descendentes adultos. Veja agora o exemplo da anemia falciforme, que apresenta uma variação letal e uma relação de ausência de dominância entre os alelos: A doença Falciforme é doença genética e hereditária, causada por anormalidade de hemoglobina dos glóbulos vermelhos do sangue, responsáveis pela retirada do oxigênio dos pulmões, transportando-o para os tecidos. Esses glóbulos vermelhos perdem a forma discoide, enrijecem-se e deformam-se, tomando a forma de "FOICE". Os glóbulos deformados, alongados, nem sempre conseguem passar através de pequenos vasos, bloqueando-os e impedindo a circulação do sangue nas áreas ao redor. Como resultado, causa dano ao tecido circunvizinho e provoca dor. O curso da doença é variável. Há doentes que apresentam problemas com mais frequência e outros têm problemas esporádicos de saúde. Geralmente, é durante a segunda metade do primeiro ano de vida de uma criança que aparecem os primeiros sintomas da doença. Exceção é feita nos casos em que o exame de sangue – para detecção da doença – foi realizado já no nascimento ou no berçário. Até atingir a idade escolar é comum a doença se manifestar, é raro isso não ocorrer. A Anemia Falciforme não deve ser confundida com o traço falciforme. Traço falciforme significa que a pessoa é tão somente portadora da doença, com vida social normal. A forma comum da Anemia Falciforme (Hbss) acontece quando uma criança herda um gene da hemoglobina falciforme da mãe ou do pai. É necessário que cada um dos pais tenha pelo menos um gene falciforme, o que significa que cada um é portador de um gene da hemoglobina falciforme e um gene da hemoglobina normal. Como a condição de portador do traçofalciforme é um estado benigno, muitas pessoas não estão cientes de que o possuem. Quando duas pessoas portadoras do traço falciforme resolvem ter filhos, é importante que saibam que para cada gestação há possibilidade de um para quatro de que a criança tenha doença falciforme. Há possibilidade de uma em duas de que a criança tenha o traço da hemoglobina e a chance de um em quatro de que tenha a hemoglobina normal. FONTE: Disponível em: <http://www.geocities.ws/amiph2000/anemia_falciforme.htm>. Acesso em: 23 fev. 2013. UNIDADE 1 TÓPICO 3 35 G E N É T I C A FIGURA 21 – ERITRÓCITOS FALCÊMICOS FONTE: Adaptado de: <http://1.bp.blogspot.com/-7KGwB2d3KwM/ TZHardRMEoI/AAAAAAAACHk/bfh4y0BUKwo/s1600/sickle_cell_anemia2. jpg>. Acesso em: 26 fev. 2013. 7 HEREDOGRAMAS Nos heredogramas os dados sobre a história das famílias são representados por ícones, cujo significado é previamente definido. Existem símbolos para todas as situações possíveis, os mais usados são apresentados na figura a seguir. Os dados usados para a construção dos heredogramas são obtidos principalmente através de entrevistas com os membros da família. Na organização desses dados (a construção do heredograma propriamente dito) são seguidas algumas regras que facilitam a interpretação e localização das informações, por exemplo: - as gerações são apresentadas por linhas e, para facilitar a identificação, numeradas com algarismos romanos; - dentro de cada linha, os indivíduos são numerados, da esquerda para direita, com algarismos arábicos; - o indivíduo caso-índice, probando ou propósito (ou seja, aquele que motivou a construção do heredograma) é assinalado com uma seta. A coleta dos dados que serão usados para a construção do heredograma não é uma atividade fácil. Várias precauções e cuidados devem ser tomados na construção de um heredograma humano, por exemplo: - nunca tomar como base para a história familiar, o relato de um único indivíduo (pode resultar em informações erradas ou incompletas); UNIDADE 1TÓPICO 336 G E N É T I C A - fazer mais de uma pergunta sobre o mesmo tema (datas, número de filhos, descrições de características etc.) para obter confirmações dentro da mesma entrevista e entre entrevistados diferentes; - lembrar que conceitos relativamente fáceis como grau de parentesco podem causar grandes confusões (uma situação relativamente comum é um casal responder de modo afirmativo sobre parentesco remoto entre suas famílias pelo fato de terem a mesma origem étnica ou das famílias serem vizinhas a mais de uma geração); - em casos de informações discordantes usar como "provavelmente" corretas as informações fornecidas pelas mulheres mais velhas (têm melhor registro da história familiar como um todo de seus detalhes). Vale lembrar que para tentar estabelecer o padrão de transmissão de um determinado fenótipo não basta estudar uma única família, mesmo que essa família seja informativa (preencha alguns requisitos básicos para permitir o estudo genético). É necessário que dados concordantes sobre a transmissão do fenótipo sejam observados em outros grupos familiares para que se estabeleça um padrão de herança. FONTE: Disponível em: <http://www.ufsm.br/blg220/hered.pdf>. Acesso em: 3 mar. 2008. FIGURA 22 – ELEMENTOS DE UM HEREDOGRAMA FONTE: Disponível em: <http://www.icb.ufmg.br/big/big623/introd1.jpg>. Acesso em: 3 mar. 2008. UNIDADE 1 TÓPICO 3 37 G E N É T I C A AUT OAT IVID ADE � Com base em uma determinada característica (sugiro o lóbulo da orelha solto – A ou aderente – B, como na figura ao lado), construa um heredograma de sua família, envolvendo o maior número de indivíduos e gerações possíveis. Depois, determine o padrão de herança: se há dominância completa, quais variações são dominantes ou recessivas etc. FONTE: Disponível em: <http://www.windows.ucar.edu/earth/Life/images/ earlobes.jpg>. Acesso em: 3 mar. 2008. DIC AS! Você deve ter percebido ao longo dos seus estudos, que frequentemente falamos de características e variações. É muito comum a confusão entre estes conceitos. Entenda o seguinte: quando falamos em características, estamos generalizando uma forma que pode ter suas variações. Por exemplo: no caso da figura anterior, a característica é o tipo de lóbulo da orelha. As variações são: solta e aderente. Vamos em frente! 8 SEGUNDA LEI DE MENDEL (DIIBRIDISMO) Também conhecida como Lei da Segregação independente, esta lei é uma extensão da primeira lei de Mendel, com algumas restrições: a denominação “segregação independente” deve-se à aplicação desta lei somente nos casos que envolvam características, cujos genes estão localizados em cromossomos diferentes, e que, se separam independentemente durante a meiose. Desta forma, a Lei da Segregação Independente apresenta o seguinte enunciado, na forma visualizada por Mendel: Os fatores para dois ou mais caracteres se distribuem independentemente para os gametas, onde se recombinam ao acaso. O cruzamento mendeliano clássico que levou a este conhecimento utilizou os seguintes caracteres: forma da semente (lisa/rugosa) e cor da semente (verde/amarela). UNIDADE 1TÓPICO 338 G E N É T I C A Caro(a) acadêmico(a), vamos visualizar agora os cruzamentos para os casos de herança diíbrida utilizando os conceitos já discutidos anteriormente. Lembre-se de que os cruzamentos iniciais são feitos com linhagens puras (homozigotas), fato que Mendel conseguiu com cruzamentos e análises de muitas gerações. 1 – P = Amarelas /Lisas x Verdes /Rugosas. F1 = todos os descendentes amarelos/lisos. 2 – F1 x F1 F2: amarela /lisa: 9, amarela /rugosa: 3, verde /lisa: 3, verde /rugosa: 1 Observe agora como a simbologia aplicada à primeira lei explica os resultados obtidos nos cruzamentos acima. Cor da semente Forma da Semente AA = amarela RR = lisa Aa = amarela Rr = lisa aa = verde rr = rugosa Reveja agora o cruzamento 1: Cruzando a F1 por autofecundação temos: amarela / lisa: AARR AARr AaRR AaRR 9/16 UNIDADE 1 TÓPICO 3 39 G E N É T I C A amarela / lisa: AARR AARr AaRR AaRR 9/16 amarela / rugosa: AArr Aarr 3/16 verde / lisa: aaRR aaRr 3/16 verde / rugosa: aarr 1/16 Você deve observar que a proporção 9:3:3:1 somente ocorre se considerarmos que os genes não estão ligados, ou seja, encontram-se em cromossomos diferentes e segregam-se de forma realmente independente, o que estabelece o conceito desta aplicação. DIC AS! Caro(a) acadêmico(a): os textos aqui descritos partem da premissa que você já teve contato com genética ao cursar o Ensino Médio, e assim, complementou seus conhecimentos sobre os padrões de herança propostos por Mendel. Se você encontrou maior dificuldade, sugiro que revise tais conhecimentos nos livros de Biologia do Ensino Médio. Esta “parada” para revisão poderá ser de grande valia e contribuir efetivamente para sua compreensão global da genética. Também sugiro a você que aprofunde seus conhecimentos no capítulo dois do livro GRIFFITHS, A. J. F.; MILLER, J. H. & LEWONTIN, R. C. Introdução à genética. 8. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2006. 9 HERANÇA DOS GRUPOS SANGUÍNEOS HUMANOS Veremos agora como ocorrem os mecanismos de herança dos grupos sanguíneos humanos. Para tanto, operaremos dois sistemas que podem gerar incompatibilidade em transfusões, procurando compreender também tais mecanismos de incompatibilidade. 9.1 FATOR RH A descoberta do Fator Rh (Landesteiner e Wiene, 1940) ocorreu através de experimentos transfusionais entre macacos do Gênero Rhesus e coelhos. Amostras de sangue deste gênero de macaco foram injetadas em coelhos, onde os cientistas puderam verificar a reação de aglutinação pela ação dos anticorpos destes
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