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0 Índice Introdução ............................................................................................................................... III Auto avaliação ........................................................................................................................ IV Biologia molecular .................................................................................................................... 5 Dogma central da biologia molecular ....................................................................................... 5 A função do material genético DNA e RNA ............................................................................ 9 Bases Fisiológicas de Dominância e Recessividade ............................................................... 11 Projecto Genoma Humano ...................................................................................................... 16 Base Celular de Hereditariedade ............................................................................................. 22 Historial da citogenetica ......................................................................................................... 27 As anomalias numéricas ......................................................................................................... 31 Mutações ................................................................................................................................. 42 Recombinação e Evolução ...................................................................................................... 52 Recombinação ......................................................................................................................... 53 Crossing-over .......................................................................................................................... 59 Crossing-over como medida da distância genética ................................................................. 62 Frequência de recombinação ou permuta e distancia genética ............................................... 64 Mapeamento Cromossómico .................................................................................................. 66 Mapeamento Citogenético ...................................................................................................... 69 Origem e caracterização citologica das deleções e duplicações ............................................. 74 Detectando loci ligado por análise de heredogramas .............................................................. 77 Biotecnologia .......................................................................................................................... 83 Conservação de recursos genéticos ......................................................................................... 90 A gestão de recursos genéticos animais .................................................................................. 90 Recursos Genéticos Vegetais .................................................................................................. 93 Conclusão ................................................................................................................................ 95 Bibliografia ............................................................................................................................. 96 1 Abdul Gafar Daúdo Portfolio de Genetica Molecular e Biotecnologia Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia com habilidades em Química/ Gestão de Laboratório Universidade Pedagógica Montepuez 2013 2 Abdul Gafar Daúdo Portfolio de Genetica Molecular e Biotecnologia Docente: Zacarias Rosalina Universidade Pedagógica Montepuez 2013 Este trabalho é de carácter avaliativo da cadeira de Genética Molecular e Biotecnologia, Curso de Biologia, 3º Ano. III Introdução Este portfólio apresenta um conteúdo diversificado da Genética Molecular e Biotecnologia, em que foi usada a metodologia baseada na comunicação directa, através das aulas dadas pelo docente, e apresentação de seminários apresentados pelos colegas. Estas aulas e seminários foram leccionadas e apresentadas com uma linguagem acessível e objectiva. De referir que cada aula era um aprendizado a mais, pois, a cada aula existiam debates, discussões, reflaxões e críticas. Além disso, os temas aqui tratados e as necessidades de desenvolver as informações ou temas, usou-se algumas obras que estão citados no texto e constam na bibliografia. Objectivos relacionados a esta cadeira Obter o suficiente de conhecimentos sobre: • Resolver com precisão os exercícios da Genética; • Discutis a implicações éticas do uso de técnicas de melhoramento em animais e as suas implicações éticas e sociais humanos. Objectivos do portfólio académico Levar o aluno ao universo da pesquisa, desenvolvendo o gosto pela leitura e pela investigação; Propiciar o registo, análise e acompanhamento das acções quotidianas no diário de aprendizagem, fazendo com que o aluno aprenda a aprender mais. ―Abrir um portfolio bem feito é como abrir uma arca do tesouro.‖ (Shores e Grace, 2001) IV Auto avaliação É dificil fazer a crítica, mas vejo que ninguem pode fazer por mim. Vou tentar ser justo para mim e para a cadeira, assim como para o docente. Eh!!! Chegamos ao fim de mais um semestre!... na verdade não foi nada fácil neste percurso que acabamos de fazer, mas o que falta é a decisão sobre o meu aproveitamento, tendo em conta com isso, vejo que com o tempo, fui aprendendo algo de novo, consequentemente fazendo o meu máximo para que melhore minhas notas, cumprindo com um dos objectivos de um estudante universitário. Durante o semestre, fiz alguns trabalhos e provas, dos quais em alguns fui bem e outros mal, e fazendo o balanço disso, não estou indo mal nem muito bem. Durante este período todo, procurei muito ajuda de colegas, obras e de pessoas de fora pra conseguir perceber alguns aspectos relacionados com a cadeira, principalmente relacionado com a hereditariedade. Mesmo com notas desequilibradas em trabalhos e testes, eu me dedico e vou me dedicar cada vez mais. Pois, é só com a persistência e com o tempo que aprendemos. Aproveito a ocasião de saudar aos meus colegas que estão sempre do meu lado e você dr. Zacarias, pela explicação excelente que nos proporcionou durante este semestre. Obrigado! 5 Biologia molecular A biologia molecular é o estudo da biologia a um nível molecular, incluindo a estrutura, função e composição de moléculas biologicamente importantes, tais como o ADN, o ARN e as proteínas. É o ramo da biologia que lida com a formação, estrutura, e função das macromoléculas essenciais para a vida, tais como os ácidos nucleicos e proteínas, e especialmente com o seu papel na replicação das células e a transmissão de sua informação genética. A genética molecular é a área da biologia que estuda a estrutura e a função dos genes anível molecular. A genética molecular usa os métodos da genética e da biologia molecular. É chamada assim para se diferenciar de outros campos da genética como a genética ecológica e a genética populacional. Um campo importante da genética molecular é o uso de informação molecular para determinar padrões de descendência, e assim a classificação científica correcta dos organismos: a isto chamamos sistemática molecular. Junto com a determinação do padrão de descendentes, a genética molecular ajuda a compreender as mutações genéticas que podem causar certos tipos de doenças. Através da utilização dos métodos de genética e biologia molecular, a genética molecular descobre as razões pelas quais as características são exercidas e como e porque algumas podem sofrer mutações. Uma das primeiras ferramentas a ser utilizada pelos geneticistas moleculares na década de 1970 foi o rastreio genético. O objectivo desta técnica é identificar o gene que é responsável por um determinado fenótipo. Muitas vezes usa-se um agente mutagénico para acelerar este processo. Uma vez isolados os organismos mutantes, torna-se possível identificar molecularmente o gene responsável pela mutação. Dogma central da biologia molecular O dogma central da biologia molecular foi afirmado por Francis Crick em 1958 e re- afirmado em um artigo publicado na revista Nature, em Agosto de 1970. O dogma central da biologia molecular, afirma que ―O ADN actua como um modelo para se replicar, e também é transcrito em ARN, e o ARN é traduzido em proteína.‖ 6 O dogma central afirma que uma vez que a “informação” passe para a proteína ela não pode passar adiante desta. A transferência de informação de proteína para proteína ou de proteínas para ácido nucleico é impossível. Todas as células, desde a mais simples bactéria até os seres humanos, expressam sua informação genética desta maneira - um principio fundamental deste dogma. O autômato finito abaixo representa o dogma central: Há casos especiais de transferência de informações biológicas sequenciais. São estas a transcrição reversa, a replicação do RNA e a tradução directa a partir de ADN para a proteína. Em 1970, os primeiros relatórios na Nature forneceram a primeira evidência concreta para a existência da transferência de informação a partir de RNA para DNA em partículas de retrovírus, a transcrição reversa. O impacto desta descoberta mudou de alguma forma o dogma central da biologia molecular aceito para o qual a transferência de informações é unidirecional. Esta descoberta levou à alteração do nome do vírus de tumor de ARN para retrovírus. A replicação do ARN é a cópia de um ARN para outro. Muitos vírus se replicam desta forma. As enzimas que copiam ARN para um novo ARN são chamadas ARN polimerases dependentes de ARN. Um vírus de ARN precisa de uma ARN polimerase dependente de ARN para transcrever os seus genes em ARNm. Técnicas em genética molecular Existem três técnicas gerais utilizadas para genética molecular: amplificação, separação e detecção, e expressão. A reacção em cadeia da polimerase é especificamente utilizada para a amplificação, que é um ―instrumento indispensável para uma grande variedade de aplicações‖. Na técnica de separação e detecção o DNA e o RNAm são isolados a partir de suas células. A expressão do gene em células ou organismos é feita num local ou tempo que não é normal para esse gene específico. 7 Amplificação Há outros métodos para a amplificação além da reacção em cadeia da polimerase. Clonagem de DNA em bactérias é também uma forma de amplificar DNA em genes. Reacção em cadeia da polimerase Os principais materiais utilizados na reacção em cadeia da polimerase são nucleotídeos do DNA, o DNA molde (template), iniciadores (primers) e a Taq polimerase. Nucleótidos de DNA são a base para o novo DNA, o DNA molde é a sequência específica a ser amplificada, iniciadores são nucleótidos complementares que podem ir em ambos os lados do DNA molde, e a polimerase Taq é uma enzima termicamente estável que salta-inicia a produção de DNA novo às temperaturas elevadas necessárias para a reacção. Nesta técnica não é necessário usar as bactérias vivas ou células; tudo o que é necessário é a sequência de bases do DNA e os materiais listados acima. Clonagem de DNA em bactérias O termo clonagem para este tipo de amplificação envolve fazer múltiplas cópias idênticas de uma sequência de DNA. A sequência de DNA alvo é então inserida num vector de clonagem. Uma vez que este vector origina a partir de um vírus auto-replicante, plasmídeo, ou uma célula superior do organismo, quando o DNA de tamanho apropriado é inserido o ―alvo e fragmentos de DNA do vector são então ligados‖ e criam uma molécula de DNA recombinante. As moléculas de DNA recombinantes são depois colocados em uma cepa de bactérias (E. coli geralmente), que produz várias cópias idênticas por transformação. A transformação é o mecanismo de absorção de DNA possuído por bactérias. No entanto, apenas uma molécula de DNA recombinante pode ser clonada dentro de uma única célula bacteriana, de modo que cada clone é de apenas uma inserção de DNA. Separação e detecção Na separação e detecção o DNA e o RNAm são isolados a partir de células (a separação) e, em seguida detectados simplesmente pelo isolamento. As culturas celulares são também aumentadas para proporcionar um fornecimento constante de células prontas para o isolamento. Culturas de células Uma cultura de células para a genética molecular é uma cultura que é cultivada em condições artificiais. Alguns tipos de células crescem bem em tais culturas como as células da pele, mas outras células não são tão produtivas em culturas. Existem diferentes técnicas para cada tipo de 8 célula, algumas apenas recentemente encontradas para fomentar o crescimento de células- tronco e nervo. Culturas para a genética molecular são congeladas, a fim de preservar todas as cópias do gene espécime e descongeladas apenas quando necessário. Isto permite um fornecimento constante de células. Isolamento do DNA O isolamento do DNA extrai DNA a partir de uma célula de uma forma pura. Em primeiro lugar, o DNA é separado a partir de componentes celulares, tais como proteínas, RNA, e lípidos. Isto é feito colocando as células escolhidas em um tubo com uma solução que mecanicamente, quimicamente, rompe as células abertas. Esta solução contém enzimas, produtos químicos, e sais que rompe as células excepto o DNA. Ele contém enzimas para dissolver proteínas, produtos químicos para destruir todos os RNA presentes, e sais para ajudar a puxar o DNA para fora da solução. Em seguida, o DNA é separado da solução ao ser girado em uma centrífuga, o que permite que o DNA se acumule na parte inferior do tubo. Após este ciclo na centrífuga a solução é vertida fora e o DNA é ressuspenso em uma segunda solução o que faz com que se torne fácil de trabalhar com o DNA no futuro. Isto resulta em uma amostra de DNA concentrada que contém milhares de cópias de cada gene. Para projectos de grande porte, tais como o sequencialmente do genoma humano, todo esse trabalho é feito por robôs. Isolamento do RNAm DNA expresso que codifica para a síntese de uma proteína é o objectivo final para cientistas e este DNA expresso é obtido através do isolamento de RNAm (o RNA mensageiro). Primeiro, os laboratórios utilizam uma modificação celular normal de ARNm que acrescenta-se a 200 nucleótidos de adenina para o fim da molécula (cauda poli (A)). Uma vez que este tenha sido adicionado, a célula é rompida e o conteúdo da célula é expostoa grânulos sintéticos que são revestidos com nucleótidos da cadeia timina. Devido a Adenina e Timina parearem juntas no DNA, a cauda poli (A) e os grânulos sintéticos são atraídos um para o outro, e uma vez que eles se liguem a este processo, os componentes celulares podem ser lavados sem remover o RNAm. Uma vez que o RNAm foi isolado, a transcriptase reversa é empregue para convertê-lo para ADN de cadeia simples, a partir do qual um DNA de cadeia dupla estável é produzido usando DNA polimerase. O DNA complementar (cDNA) é muito mais estável do que o RNAm e, assim, uma vez que o DNA de cadeia dupla tenha sido produzido ele representa as sequências expressas de DNA que os 9 cientistas procuram. Uma de suas aplicações consiste no estudo da mutação e variação de cepas de bactérias. Projecto genoma humano O Projeto Genoma Humano é um projecto de genética molecular, que começou na década de 1990 e foi projectado para levar quinze anos para ser concluído. No entanto, por causa dos avanços tecnológicos o andamento do projecto foi adiantado e o projecto terminou em 2003, tendo apenas treze anos. O projecto foi iniciado pelo Departamento de Energia dos EUA e do National Institutes of Health em um esforço para atingir seis metas estabelecidas. Estes objectivos foram: 1. Identificação de 20.000 a 25.000 genes no ADN humano (embora as estimativas iniciais eram cerca de 100.000 genes), 2. Determinar sequências de pares de base químicos no ADN humano (20 aas), 3. Armazenar todas as informações encontradas em bancos de dados, 4. Melhorar as ferramentas utilizadas para análise de dados, 5. Transferência de tecnologias para sectores privados, e 6. Abordar as questões éticas, legais e sociais (ELSI) que pudessem surgir a partir dos projectos. Importâcias do projecto genoma humano A grande importância do Projecto Genoma, é tentar melhorar a qualidade de vida humana, procurar tratamentos para doenças genéticas, e outros tipos de doença, como alcoolismo, uso de drogas e outros vícios. A função do material genético DNA e RNA DNA O ácido desoxirribonucléico é uma molécula formada por duas cadeias na forma de uma dupla hélice. Essas cadeias são constituídas por um açúcar (desoxirribose), um grupo fosfato e uma base nitrogenada ((T) timina, (A) adenina, (C) citosina ou (G) guanina). A dupla hélice é um factor essencial na replicação do DNA durante a divisão celular cada hélice serve de molde para outra nova. RNA O ácido ribonucléico (RNA) é uma molécula também formada por um açúcar (ribose), um grupo fosfato e uma base nitrogenada ((U) uracila, (A) adenina, (C) citosina ou (G) guanina). Um grupo reunindo um açúcar, um fosfato e uma base é um ―nucleotídeo‖. 10 Código genético A informação contida no DNA, o código genético , está registrada na sequência de suas bases na cadeia (timina sempre ligada à adenina, e citosina sempre com guanina). A sequência indica uma outra sequência, a de aminoácidos substâncias que constituem as proteínas. O DNA não é o fabricante directo das proteínas; para isso ele forma um tipo específico de RNA, o RNA mensageiro, no processo chamado transcrição. O código genético, na forma de unidades conhecidas como genes, está no DNA, no núcleo das células. Já a "fábrica" de proteínas fica no citoplasma celular em estruturas específicas, os ribossomos, para onde se dirige o RNA mensageiro. Na transcrição, apenas os genes relacionados à proteína que se quer produzir são copiados na forma de RNA mensageiro. Cada grupo de três bases (ACC, GAG, CGU etc.) é chamado códon e é específico para um tipo de aminoácido. Um pedaço de ácido nucléico com cerca de mil nucleotídeos de comprimento pode, portanto, ser responsável pela síntese de uma proteína composta por centenas de aminoácidos. Nos ribossomos, o RNA mensageiro é por sua vez lido por moléculas de RNA de transferência, responsável pelo transporte dos aminoácidos até o local onde será montada a cadeia protéica. Essa produção de proteínas com base em um código é a base da Engenharia genética. Adesina, Citosina, Guanina e Timina são as quatro bases encontradas na estrutura do DNA. Principais diferenças entre RNA e DNA É da associação dos diferentes nucleotídeos que se formam as macromoléculas dos dois tipos de ácidos nucléicos: o ácido ribonucléico (RNA) e o ácido desoxirribonucléico (DNA). Eles foram assim chamados em função dos açúcar presente em suas moléculas: O RNA contém o açúcar ribose e o DNA contém o açúcar desoxirribose. Outra diferença importante entre as moléculas de DNA e a de RNA diz respeito às bases nitrogenadas: no DNA, as bases são citosina, guanina, adenina e timina; no RNA, no lugar da timina, encontra-se a uracila. A importância e o funcionamento dos ácidos nucléicos. 11 RNA: fita SIMPLES; DNA: fita DUPLA Bases RNA: adenina, guanina, citosina, URACILA; Bases DNA: adenina, guanina, citosina, TIMINA Açúcar RNA: RIBOSE; Açúcar DNA: Desoxirribose Constituição do DNA e RNA Característica DNA RNA Açucar Desoxiribose Ribose Grupo Fosfato H3PO4 (ácido fosfórico) H3PO4 (ácido fosfórico) Bases Nitrogenadas Pirimídicas (Citosina e Timina) Pirimídicas (Citosina e Uracilo) Púricas/Purinas (Adenida e Guanina) Púricas/Purinas (Adenida e Guanina) Função do material genético Os trabalhos decisivos sobre a função do gene foram apresentados por Beadle e Tatum que propuseram a teoria ―um gene - uma enzima‖. As ideias principais do trabalho realizado por estes autores foram: a. Todos os processos bioquímicos dos organismos estão sob controle genético. b. Os processos bioquímicos ocorrem numa sequência de reacções individuais. c. Cada reacção simples é controlada por um gene simples. d. Cada gene actua através do controle e produção de uma enzima específica. Na actualidade esta teoria apresenta as seguinte falhas: a. Um gene pode especificar a síntese de uma cadeia polipeptídica que não apresenta nenhuma função enzimática (Ex.: Hemoglobina). b. Uma enzima pode ser constituída por mais de uma cadeia polipeptídica (Ex.: RNA polimerase é constituída por várias cadeias e, consequentemente, esta sob o controle de vários genes). c. Um gene pode controlar a actividade de uma enzima especificada por outro gene (Ex.: sítio operadores, repressores, etc.). Bases Fisiológicas de Dominância e Recessividade Em todos os sistemas de notações genéticas os genes são representados por letras, a escolha da letra para simbolizar o alelo dominante ou alelo recessivo que esta relacionada a inicial da palavra que designa a característica recessiva, utilizando-se neste caso, uma mesma letra: Letra maiúscula para alelo dominante (A) e minúscula para alelo recessivo (a). O termo dominante leva a ideia equivocada que um alelo domina ou inibe a acção do outro. Na maioria, os alelos 12 alterados (mutantes) recessivos têm sua sequência de bases nitrogenadas alteradas e não se expressam correctamente, de modo que as características recessivas resultam geralmente da ausência do produto génico. A base fisiológica de dominância ou recessividade é o gene. Um alelo pode apresentar um padrão de herança dominante em relação a versão normal do gene. Tanto a dominância, assim como a recessividade, resulta na alteração da natureza do gene. Certos casos, a mutação de um gene pode causar ao surgimento de uma doença no individuo portador. A exemplo disso, na espécie humana a doença da Coreia de huntignton produz uma proteína, a hutingntina, importante para o funcionamento normal das células cerebrais, e segue um padrão de herança dominante. O albinismo na espécie humana,resulta da incapacidade das células epidérmicas produzirem melanina, e o alelo recessivo é alterado. O Código genético O Código Genético são elementos que se encontram nas duas moléculas de DNA e RNA e é ligado as bases nitrogenadas (Adenina, Guanina, Citosina e Uracilo ).(SNUSTAD e SIMMONS, 2008:339). As quatro bases nitrogenadas presentes no RNAm (A,U,C e G), reunidos três a três, formam 64 códons distintos. Dos 64 códons, 61 correspondem aos 20 tipos de aminoácidos que entram na constituição das proteínas, os três códosns restantes não correspondem a nenhum aminoácido e funcionam como pontuação, indicando o final da informação genética na molécula do RNAm. Código genético é considerado ―degenerado‖ porque a maioria dos aminoácidos é codificada por mais de um códon. Há apenas dois aminoácidos codificados por uma única trinca, há também, três trincas ―sem sentido‖(UAA,UAG e UGA), que não codificam nehnum aminoácido e sinalizam o final da mensagem. O sistema de codificação genética é basicamente o mesmo em todos os seres vivos da terra e, por isso, se diz que ele é universal. Enquanto as cadeias peptídicas podem ser comparadas a palavra que utiliza um alfabeto de 20 letras (os 20 aminoácidos comuns das proteínas). O alfabeto da sequência nucleotídica colinear que deve memorizar e transcrever essas palavras que são os quatro nucleotídios fundamentais: A, G, U e T (ou C). A unidade de codificação do aminoácido é, por tanto, o tripleto nucleotídico ou codão, que é um encadeamento de três nucleótidos dispostos por determinada ordem. 13 O código genético diz-se degenerado exactamente por essa razão: porque a maior parte dos aminoácidos são especificados por vários codãos.Com a excepção da metionina e do triptofano, há seis codãos para a leucina, arginina, e a serina e entre dois e quatro para os restantes. Como ficou evidente que os genes controlam a estrutura dos polipeptídeos, a atenção concentrou-se na maneira como a sequência dos quatro nucleotídeos diferentes do DNA pode controlar a sequência dos 20 aminoácidos presentes nas proteínas.Com a descoberta do mRNA intermediário, surgiu a dúvida sobre como a sequência de quatro bases presentes nas moléculas de mRNA poderiam especificar a sequência de aminoácidos de um polipeptídio. Características do Código Genético O código genético e composto de trincas de nucleotídios; O código genético e não-superposto; O código genético é sem vírgula, não existem vírgulas ou outras formas de pontuação dentro das regiões codificantes; O código genético é redundante, excepto dois aminoácidos, os de mais são especificados por mais de um códon. O código genético é ordenado; O código genético conte códons de início ao fim. Síntese de Proteínas (Polipeptídios) Para o DNA e RNA, as sínteses das biomoléculas poliméricas podem ser consideradas em termos das etapas de iniciação, alongamento e terminação, esses processos fundamentais estão tipicamente associados a duas etapas adicionais: Activação dos precursores antes da síntese e o processamento pós-sintético do polímero completado. A síntese segue o mesmo padrão, a activação dos aminoácidos antes da sua incorporação em polipeptídeos e o processamento pós-tradução do polipeptídeo completado desempenham papéis particularmente importantes em garantir tanto a fidelidade da síntese quanto a função apropriada do produto proteico. Assim, este processo, Realiza-se em Cinco Etapas: Etapa 1. Activação dos Aminoácidos - Para a síntese de um polipeptídio com sequência definida, dois requerimentos químicos fundamentais devem ser alcançados: O grupo carboxila de cada aminoácido deve ser activado para facilitar a formação de uma ligação peptídica; 14 Um elemento deve ser estabelecido em cada novo aminoácido e a informação no mRNA que o codifica; Ambos os requerimentos são alcançados pela ligação do aminoácido a um tRNA na primeira etapa da síntese de proteínas, a ligação do aminoácido correcto ao tRNA correcto é crítica, essa reacção realiza-se no citosol, não no ribossoma. Etapa 2. Iniciação - O mRNA que possui o código para o polipeptídio a ser sintetizado liga-se a menor das duas subunidades ribossómicas e ao aminoacil-tRNA de iniciação, depois se liga a subunidade ribossómica maior para formar um complexo de iniciação. O aminoacil-tRNA de iniciação pareia com o codon AUG do mRNA que finaliza o inicio do polipeptídio, esse processo que requer GTP, é promovido por proteínas citosólicas chamadas de factores de iniciação Etapa 3. Alongamento - O polipeptídio nascente é aumentado por ligações covalentes de unidades sucessivas de aminoácidos, cada uma levada ao ribossoma é corectamente posicionado pelo seu tRNA, que pareia com seu codon correspondente no mRNA. O alongamento requer proteínas citosólicas conhecidas como factores de alongamento. A ligação de cada aminoacil-tRNA que chega e a movimentação ribossomo ao longo do mRNA são facilitadas pela hidrolise do GTP a medida que cada resíduo é adicionado ao polipeptidio crescente. Etapa 4. Terminação e Libertação - O término da cadeia de polipeptidios é sinalizada por um codon de terminação no mRNA, o novo polipeptidio é liberado do ribiossoma ajudado por proteínas chamadas de factores de liberação. Etapa 5. Enovelamento e Processamento Pós-tradução - A fim de alcançar sua forma biologicamente activa, o novo polipeptidio deve enovelar-se em sua conformação tridimensional apropriada. Antes e depois do enovelamento, o novo polipeptidio pode sofrer processamento enzimático, incluindo a remoção de um ou mais aminoácidos (usualmente a partir do seu terminal amino). A adição de acetila, fosforila, metila, carboxila, ou a ligação de oligossacarideos ou grupos proféticos. O processo de síntese de uma cadeia polipeptidica consiste em unir aminoácidos de acordo com a sequência de codons presentees em um RNAm. (AMABIS e MARTHO, 2006:644). A síntese de um polipeptidio tem início com a associação entre um ribossoma, um RNAm e um RNAt especial, que transporta o aminoácido metionina.Esse RNAt, cujo anticódon é UAC, 15 emparalha-se com um códon AUG presente perto da extremidade inicial da molécula do RNAm. Essa trinca AUG constitui o códon de inicio de tradução, pois é ele que determina o local da molécula do RNAm em que tem inicio a informação para a cadeia polipeptídica. Crescimento da Cadeia Polipeptidica O RNAt que especial que inicia a tradução génica aloja-se em um local do ribossoma sob o qual se encontra 1˚codon AUG do RNAm, esse local do ribossoma é chamado de sítio que durante o processo da síntese de proteínas, é sempre ocupado pelo RNAt carregado da cadeia polipeptídica em formação, dai a denominação P, de polipeptidio. Ao lado do sítio P localiza- se o sítio A, assim chamado pelo facto de nele se alojar o RNAt que carrega o próximo aminoácido a ser incorporado na cadeia polipeptidica em formação.Com o próximo RNAt alojado no sitio P, um segundo RNAt aloja-se no sitio A, o anticodon desse segundo RNAt será complementar ao segundo codon do RNAm, que esta sob o sitio A. Por exemplo, se o codon do RNAm no sitio A for UUU, o RNA que nele se aloja terá o anticodon AAA e, portanto, transportara o aminoácido fenilananina. Término da Síntese da Cadeia Polipeptídica O último estágio da síntese de um polipeptidio ocorre quando o ribossoma chega a um codon de parado, ou seja, um dos três codons para os quais não há aminoácidos correspondentes (AMABIS e MARTHO, 2006:646). Quando isso acontece ou ocorre, o sitio A do ribossoma é ocupado por uma proteína denominada Factor de Libertação e todos os participantes do processo se separam, inclusiveas duas subunidades do ribossoma, soltando a cadeia polipeptidica recém-formadas processo da síntese de proteínas é rigorosamente ordenado e garante a sequência correcta de aminoácidos em uma cadeia polipeptidica, codificada originalmente no gene. A medida que um ribossoma se desloca sobre um RNAm, traduzindo sua mensagem na forma de um cadeia polipeptidica, outro ribossoma pode também iniciar a tradução do mesmo RNAm.Assim, vários ribossomas podem se encachar sucessivamente no início de um RNAm, percorrendo-o e saindo na extremidade oposta, todos sintetizando o mesmo tipo de cadeia polipeptidica. Ė Comum encontrar de 10-20 ribossomas traduzindo simultaneamente um mesmo RNAm.Cada ribossoma tem uma cadeia polipeptidica em formação, cujo tamanho depende do 16 trecho já percorrido no RNAm.O conjunto formado por vários ribiossomas traduzindo um mesmo RNAm é chamado de poliribossoma ou polissoma. As proteínas, alem da sua importante função estrutural, também constituem enzimas que controlam prraticamente todas as reacções metabólicas das células, portanto, ao controlar a produção das proteínas os genes exercem o controle das características e das actividades das células. Projecto Genoma Humano Um cromossomo é comparável a um livro de receita de proteínas, e o núcleo de uma célula humana é comparável a uma biblioteca, constituída por 46 volumes, que contêm o receituário completo de todas as proteínas do indivíduo. O conjunto completo de genes de uma espécie, com as informações para a fabricação dos milhares de tipos de proteínas necessários à vida, é denominado genoma. Atualmente, graças a modernas técnicas de identificação dos genes, os cientistas mapearam o genoma humano através do Projeto Genoma Humano. O projecto genoma humano teve inicio oficialmente em Outubro de 1990, com a publicação de um plano de pesquisa cujo objectivo era determinar a sequência de todos os núcleotideos dos 23 cromossomas constituintes do genoma humano (22) autossomos e os cromossomos sexuais X e Y). O Projeto Genoma Humano (PGH) teve por objectivo o mapeamento do genoma humano, e a identificação de todos os nucleotídeos que o compõem. Consistiu num esforço mundial para se decifrar o genoma. Após a iniciativa do National Institutes of Health (NIH) dos Estados Unidos, centenas de laboratórios de todo o mundo se uniram à tarefa de sequenciar, um a um, os genes que codificam as proteínas do corpo humano e também aquelas sequências de DNA que não são genes. Laboratórios de países em desenvolvimento também participaram do empreendimento com o objectivo de formar mão-de-obra qualificada em gnómica. O principal objectivo do projecto genoma humano foi o de gerar sequências de DNA de boa qualidade para os cerca de 3 bilhões de pares de bases e identificar todos os genes humanos. Outros objectivos importantes incluíam o seguimento de genomas de organismo modelos para auxiliar a interpretar a sequencia do DNA humano, melhorar a capacidade computacional para suporte a futuras pesquisas de aplicação comercial. As metas iniciais do projecto genoma humano eram: 1. Identificar todos os genes humanos; 17 2. Construir um mapa físico detalhado de todo genoma humano; 3. Determinar a sequência dos cerca de 3,2 bilhões de pares de bases que compõem o genoma humano; 4. Armazenar a informação em bancos de dados; 5. Transferir a tecnologia relacionada ao projecto para o sector privado; 6. Colocar em discussão, os problemas éticos, legais e sócias que pudessem surgir com o projecto. Em Maio de 1998, uma companhia particular fundada especialmente para esse fim, Celera Genomics do genoma humano, prevendo completa-lo em apenas três anos, o que significava 4 anos antes do previsto pelo consorcio publico. A principal diferença entre os dois projectos era o método utilizado para determinação das sequências dos núcleotideos. A estratégia do consórcio público era dividir cada cromossoma em grandes fragmentos e determinar a sequência de núcleotideos de fragmentos adjacentes. Tendo em vista a possibilidade de uma empresa particular tornar-se proprietária exclusiva de um património da humanidade do genoma humano. O consórcio público redobrou os esforços para concluir o projecto em menor tempo. Finalmente em Junho de 2000, os pesquisadores Francês Collins (líder do consorcio publico) e Crarir Vinter (presidente da Celera Genomics) anunciaram na casa branca, sede do governo dos estados unidos da América na cidade de Washington a conclusão de um esboço geral do genoma humano. O genoma humano é constituído por cerca de 3 bilhões de pares de núcleotideos. Para se ter ideia do que isso representa, se escrevessemos a sequência de iniciais das bases (A, T, C, G) de apenas uma das cadeias do DNA humano em tipos bem pequenos, preencheríamos mais de 200 volumes equivalentes a grossas lista telefónicas. Apenas 3% dos 3 bilhões de pares de bases do genoma humano correspondem a genes, 97% são sequências não codificantes, isto é não transcritas para a molécula de RNA. O número total dos genes humanos entre 30 mil a 40 mil é bem menor do que se imaginava. Isso nos coloca em pé de igualdade com os Comundongos e pouco acima das Moscas quanto ao número de genes, cujo genoma possui 13 mil genes. O sequênciamento do DNA humano revelou que muitos dos nossos genes são semelhantes as de bactéria e vírus. 18 Enzimas de Restrição No inicio dos anos 1970 descobriu-se que certas enzimas bacterianas, denominadas endonúcleases de restrição, podiam conter moléculas de DNA em partes especificas, quando fragmentos de tamanho definidos e que poderiam ser analisado. Segundo (AMABIS e MARTHO, 2004:164) As endonucleases de restrição são enzimas bacterianas ―que actuam como uma tesoura moleculares, reconhecendo segmentos de parte de bases especificais em molécula do DNA e corando-as nesses pontos. Elas são altamente específicas: cada tipo de enzima reconhece e corta apenas uma determinada sequência de nucleotideo, constituído por 4 ou 6 pares de bases nitrogenadas. Acredita-se que as bactérias tenham desenvolvido as enzimas de restrição ao longo da sua evolução, como protecção ao ataque de bactérias. Uma molécula de DNA víral que contenha sítios para endonuclease bacteriana, ao ser injectada na bactéria, é prontamente cortada nesses pontos e deixa de funcionar. Hoje São conhecidas centenas dessas enzimas que são purificadas e comercializadas por diversos laboratórios no mundo. A descoberta das enzimas de restrição permitiu grandes avanços na genética molecular. Moléculas idênticas de ADN tratadas com determinados endonucleases de restrição, são cortadas nos mesmos pontos, originando fragmentos de tamanhos idênticos. Uma endonucleases de restrição é como um pareamento que permite cortar moléculas de ADN de forma controlada e reproduzível. Diversos pesquisadores passaram a utilizar a nova técnica para mapear o genoma de outros vírus, depois de bactérias e de outros organismos. Separação eletroferotica de fragmentos de DNA Os fragmentos diferentes tamanhos, grandes pelo corte de um DNA com determinada endonuclease de restrição, podem ser separadas uns dos outros por meio de uma técnica denominada eletroforese (do grego phoresis, acção de transportar, migração). 19 Na visão de AMABIS e MARTHO (2004:165) diz que o processo de eletroforese ―é realizado em uma placa gelatina especial (gel) a solução contendo os fragmentos de DNA é colocado em fendas em uma das extremidades do gel, a qual é concentrada o pólo negativo de uma fonte geradora de corrente eléctrica. Ao pólo oposto do gel é ligado a pólo positivo da fonte”. A aplicação de umadiferença de potêncial na placa de gel faz os fragmentos de DNA se deslocarem em direcção ao pólo positivo uma vez que eles possuem carga eléctrica negativa. O deslocamento dos fragmento de DNA no gel e comparável ao de uma corrida de obstáculos (estes são representados pela fibras que formam o gel), o DNA movimenta-se entre as fibras de gel e quanto menor o tamanho de fragmento, maior a velocidade com que ele se desloca. Quando o campo eléctrico e desligado fragmento de mesmo tamanho estaciona junto em determinadas posições na placa de gelatina formando uma faixa ou banda. A placa de gelatina e então tratado com uma solução de brometo de etidio (C21H2OBrN3), que adere as molécula de DNA formando um complexo que emite luz quando iluminado com raios ultravioleta, assim as bandas formadas pelos fragmentos de ADN podem ser visualizadas. Identificação de Pessoas pelo ADN A análise do padrão eletroforetico de fragmentos de ADN, originado pelo corte com enzima de restrição, é hoje o método mais seguro para identificação de pessoas sendo largamento utilizado em investigações policiais e em processo judicial. A comprovação de que era possível caracterizar moléculas de ADN por meio de padrões de fragmento gerados pela digestão com endonuclease de restrição levou-a pesar no emprego dessa metodologia para identificar pessoas. O raciocínio foi o seguinte: como as pessoas deferem entre se quanto ao material genéticos que possuem (com excessão dos gémeos univitelinicos), a digestão do ADN de uma pessoa com um endonuclease de restrição produziram um padrão de fragmento típico dela, comparável a um código de barras ou uma impressão digital molecular. Detecção de fragmento específico do ADN Nos organismos eucarioticos o corte do ADN total do genoma por uma endonuclease de restrição produz tantos fragmentos de tantos tamanhos diferente que é impossível visualizar bandas individuais na separação eletroforetica. Elas estão próximas uma das outras que aparecem como uma banda contínua ao longo do gel por isso é necessário utilizar técnicas especiais para evidenciar aspectos apenas certos tipos de fragmentos. 20 Uma dessas técnicas chamadas de hibridização molecular, consiste em tratar o gel de modo a separar as cadeias duplas dos fragmentos de ADN e em seguida colocar sobre ele moléculas detectoras de sequencias especificas as chamadas sondas do DNA. Com isso apenas determinadas bandas são evidenciadas e podem ser analisadas. As sequências do DNA utilizadas na identificação de pessoas Segundo (AMABIS e MARTHO, 2004:166) Os testes de Identificação de pessoas pelo DNA “utilizam sondas capazes de detectar trechos de DNA humano que variam muito entre as pessoas de uma população”. Essas régios conhecidas pela sigla VNTR, inicial da expressão inglesa variable number of tandem repeat (nº variável de repetições em sequencia), são constituído por sequencias curtas de ate algumas dezenas de pares de nucleotideos que se repetem ao longo do trecho da molécula do DNA, é o numero dessas repetições que variam entre as pessoas, dai esses trechos de DNA serem chamados VNTRs. Por exemplo: uma pessoa que possua em ambos cromossomas VNTRs com três repetições com a utilização da mesma sonda apresentara apenas uma banda. Uma terceira pessoa com cinco repetições em cada cromossoma também apresentara uma única banda, porem localizada mais próxima do pólo negativo pós terá se deslocado menos durante a eletroferose devido ao seu menor tamanho. Determinação da paternidade pela analise do DNA O teste de paternidade foi um dos principais factores de popularização de sigla DNA, mais hoje se questiona se este tipo de exame deve ser realizado livremente pelas pessoas. Em alguns países a realização deste exame sem solicitação explicita da justiça esta sendo proibida com a justificativa de que os danos psicológicos que os resultado dos tais testes podem gerar aos envolvidos superam, em muitos casos benéficos que eles possam trazer. Identificação de cadáveis pelo DNA O exame de paternidade post mortem através da análise polimorfismo de DNA pode ser realizados de duas maneiras: 1. Método direito: o DNA extraído de amostras de tecidos de supostos falecidos através de uma exumação de cadáver é comparado com o DNA do seu parente biológico 21 2. Método indirecto: o DNA de amostra sanguíneas obtidas de um numero suficiente de parentes biológicos próximo do suposto falecido é utilizados para reconstituir através da inferência genética, o genótipo do suposto falecido. Estes dados em seguida são comparados com o DNA do seu parente biológico. O exame de paternidade pelo método indirecto de reconstrução apresenta, com tudo uma serie de vantagens sobre exames que envolve exumação entre elas: 1. Evita a exumação de cadáveis e contorna, desta forma as dificuldades, constrangimento e formalidades associadas a este processo. 2. No exame indirecto as amostras biológicas dos parentes biológicos garantem a obtenção do DNA em quantidade e qualidade suficiente para a reconstituição do genótipo do falecido. Clonagem Molecular do DNA Em 1972 os pesquisadores Norte – Americanos Stanley Cohen e Herbert Boyer, encontraram se em congresso cientifico no Havai. Cohen trabalhava com plasmidio bacteriano, tentando isolar genes para a resistência aos antibióticos, e Boyer trabalhava com enzima de restrição. Em conversa após a conferência eles resolveram tentar algo totalmente novo. Cortar o DNA de plasmidio emenda-lo um outro DNA, e introduzir a molécula produzida um DNA recombinante em bactérias. O objectivo era: verificar se a molécula produzida em um tubo de ensaio era capaz de multiplicar se na bactéria e gerar copias idênticas a esse. A partir dessa ideia Cohen e Boyer desenvolveram uma das mais revolucionaria metodologia para multiplicar segmentos seleccionados do DNA que levou a produção de diversas proteínas humana de interesse medico como o hormonio de crescimento, a isulina, o factor VIII de coagulação sanguínea e entre outras. O plasmidio recombinante produzido pela união do DNA plasmidial ao seguimento do DNA seleccionado multiplica-se juntamente com a bactéria hospedeira. A partir de uma célula bacteriana transformada e que recebeu o plasmidio recombinante obtêm- se bilhões de bactérias idênticas cada uma com uma ou mais copias de DNA recombinante. O conjunto de moléculas de DNA idênticas obtidas da multiplicação da célula bacteriana transformada constitui um clone molecular dai a metodologia para obtê-lo ser denominada clonagem molecular (AMABIS e MARTHO 2004:168). 22 Base Celular de Hereditariedade Segundo SOARES (1997: 21), célula é ―unidade básica estrutural e funcional dos seres vivos‖. Hereditariedade é um fenómeno que apresenta a condição de semelhanças existentes entre ascendentes (geração parental) e descendentes (geração filiar) através da contínua transferência instruções em forma de código inscritas no material genético (DNA ácido desoxirribonucléico) orientando a formação, desenvolvimento e manutenção de um ser vivo). Assim, a base celular da hereditariedade é o DNA. Os eventos biológicos hereditários podem ser classificados em dois tipos: Hereditariedade específica: aquela caracterizada por agentes genéticos comuns de uma determinada espécie, conservado a essência de um grupo taxonómico. Hereditariedade individual: é relativa a expressão de agentes genéticos que estabelecem aspectos individualizado (por ex: fisionomia, traços particular semblante) sendo, portanto um factor que causa biodiversidade entre indivíduos de uma mesma espécie. Interpretação de Experiencias Realizadas com Alga Acetabularia Hanmerlg utilizou nas suasexperiências uma alga clorofila do género acetabularia, uma célula mais de grande dimensões cerca de 2cm constituídas por uma base, onde se encontra o núcleo e onde sai rizóides, núcleo e donde um caulículo e um chapéu, cuja forma varia com a espécie. Nesta experiência foram utilizadas duas espécies: acetabulária mediterrânea com chapéu de barbo liso e acetabularia crenulada com chapéu de barbo rendilhado. Situação A - foi separada chapéu da base em exemplares em ambas espécies e os dos pedaços colocados em meios nutritivos. Ambos os chapéus morreram e ambas as bases regeneraram chapéus. Conclui-se que o núcleo é responsável pela manutenção da vida, crescimento e regeneração da célula. (Hpt.www.geoties.com\neri – iscp\ICS.html.2013). Situação B – foi estriado caulículo de (a) mediterrânea sobre uma base a crenulada e colocada sobre o meio nutritivo, verificou-se que regenerava um chapéu liso. Conclui- se que o núcleo comanda qualquer citoplasma regenerar a parte da célula que falta. Situação C – procedeu-se transplante cruzado de núcleo para as bases citoplasmáticas da alga. Verificou-se que regeneravam. Chapéus iguais ao tipo de núcleo e não iguais 23 ao tipo de citoplasma da base. Conclui-se que o núcleo comanda a forma do corpo do indivíduo. Com as experiências feitas concluiu-se que o núcleo comanda o citoplasma enviando-lhe mensagens sob forma de um tipo de partículas ou moléculas. Seja nos unicelulares como nos pluricelulares o núcleo é responsável conservação da informação genética. Processo de Reprodução Assexuada A reprodução assexuada ou agâmica é aquela que se processa sem o concurso de gâmetas indivíduo comovente se divide em dois ou mais novos indivíduos, que obviamente conservam em suas células os mesmos genes que já existiam naquele que lhes deu origem. (SOARES, 1997: 185). A reprodução assexuada compreende a divisão binária e a divisão múltipla. No primeiro caso, o indivíduo origina dois descendentes, pois se fendem ao meio e cada uma de suas metades regenera o que lhe falta. A divisão binária em unicelulares recebe o nome especial de cissiparidade. Pode ocorrer longitudinalmente ao longo do maior eixo da célula como nos tripanossomideos e na euglena outra transversalmente como as paramécias. Nas amibas ela ocorre em qualquer plano, não de bom alvitre usar o termo cissiparidade para designar a divisão binária dos organismos pluricelulares. A reprodução assexuada abrange, além da cissiparidade as formas de divisão múltipla como a gemulação, a especulação, a esquizogonia, a esquizogenese e a laceração. A gemulação, gemi paridade ou abrutamento se caracteriza pelo aparecimento de brotos ou gemulas na superfície do organismo. Esses brotos se desenvolvem dão novos indivíduos, que se libertam ou permanecem colonialmente ligados uns aos outros. A esporulação é a forma de reprodução assexuada que se faz por meio de esporos. Importante distinguir esporo e gâmeta enquanto gâmeta é uma célula reprodutora sexuada, formada em órgão especial para esse fim chamado gonada, e na maioria das vezes só realiza o seu papel por meio da fecundação (quando se encontra gâmetas diferentes) os esporos são células reprodutoras assexuadas que não se formam em gonadas e actuam em independentemente sem fecundação, basta encontrar condições ambientais para sua germinação. 24 A esquizogonia é um tipo raro de reprodução assexuada que se observa, por exemplo, com o protozoário causador da malária. A esquizogonia é portanto uma forma de divisão de múltipla em que as células filhas permanecem algum tempo reunidas com a disposição rosácea. A esquizogênese é um tipo de reprodução assexuada observável em organismos multicelulares, como a Eunice e a nereide. Ocasionalmente, fragmentam-se em três ou quatro pedaços, cada um deles regenerando as partes que lhes falta para se transformar num animal completo. A laceração assemelha-se a esquizogênese. Ocorre com as planarias, neste caso a fragmentação do corpo não é tão natural e espontânea quanto na esquizogênese, mas um tanto traumática, pois o animal entra numa espécie de convulsão, esticando o corpo exaustivamente no sentido das extremidades, até rompê-lo em dois pedaços. Processo de Mitose e Seu Significado Biológico À luz de COCHA (1995: 39), mitose é a fase do ciclo celular durante a qual se formam duas células filhas, partir dumas células pré-existentes. Durante a mitose há uma duplicação do número inicial de cromossomas. Ao longo da mitose ocorre eventos marcantes para identificar 4 fases do processo em sequências: Prófase, Metáfase, Anafase e telofase. Alguns consideram uma quinta fase, entre a prófase e metáfase, denominada prometa fase. Prófase é a primeira fase onde ocorre a condensação dos cromossomas, o desaparecimento dos nucléolos, a formação do fuso acromático e desintegração da membrana nuclear; Metáfase caracteriza-se pela disposição dos cromossomas irmãos na região equatorial, formando a placa equatorial. Estes ligam-se às fibras do fuso acromático através do centrómero; Anafasse os cromossomas irmãos separam-se e migram para pólos opostos da célula. Ocorre a divisão do centrómero; Telófase ocorre a formação da nova carótica (membrana nuclear). Os cromossomas descondensam-se e os núcleos reaparecem, ocorre a divisão do citoplasma, a citocinese e a formação de novas células. É por intermédio da mitose que o número de células de um organismo aumenta ocorrendo assim o crescimento. 25 Processos de reprodução sexuada Segundo SOARES (1997: 187), a reprodução é considerada sexuada sempre que depende, para acontecer, da acção combinada (ou até mesmo isolada) de células especializadas para essa função chamadas de gâmetas, produzidas em glândulas próprias denominadas gonadas. Por isso a reprodução sexuada é também conhecida como reprodução gâmica. A Reprodução Sexuada Compreende A conjugação é uma troca de materiais nucleares genéticas entre organismos unicelulares ou mesmo entre multicelulares muito inferiores, de tal sorte que os descendentes já passam revelar uma recombinação de caracteres herdáveis na proporção de 50% de cada um dos genitores. Fecundação é forma mais generalizada da reprodução sexuada que se assiste entre os seres. É o processo reprodutivo que se desencadeia pelo encontro ou fusão de um gâmeta feminino. É também chamada fertilização e tanto pode ocorrer no meio externo dispensando o acto sexual quando pode fazer-se dentro do organismo da fêmea, exigindo, então, a contingência de alguma acção que leve o gâmeta masculino a esse local. Nas flores a fecundação é interna e isso depende apenas da formação do tubo polínico, que conduz o primeiro núcleo espermático do garo do pólen até no interior do ovário. A fecundação pode ser externa quando ocorre no meio ambiente, geralmente na água, ou interna quando se processa no interior do organismo da fêmea. Processo da Fecundação Gametogênese é o mecanismo da formação dos gâmetas. Em organismos inferiores isso ocorre dentro de estruturas especializadas embora primitivas. Nos animais, a gametogênese se processa em glândulas sexuais denominadas gonadas, que compreende testículos (gônadas masculinas), onde se passa a espermatogenese nos ovários (gônadas femininas), onde ocorre a ovogênese. A espermatogenese é o fenómeno de formação dos espermatozóides, a ovogênse é reprodução de óvulos. Partenogênese é a reprodução pelo desenvolvimento embrionário a partir de um óvulo que não foi previamente fecundado, o que significa que o óvulo neste caso sem o concurso do espermatozóide entra em processo de segmentação originando um novo indivíduo. Esse fenómeno podeser conseguido artificialmente em laboratórios com o 26 uso de recursos experimentais que estimulam a clivagem de gâmetas feminino. Devemos considerar a partenogénese em dois tipos: Artificial ou experimental e natural. Processo de Meiose e seu Significado Biológico Meiose significa diminuição, e constitui uma alusão ao facto desse tipo de divisão celular o número de cromossoma ser reduzido a metade nas células filhas (AMABIS & MARTHO, 2004: 180). A redução de número de cromossomas ocorre porque nesse processo há uma única duplicação cromossómica seguida de duas divisões nucleares consecutivas: Meiose I e Miose II, cada uma composta por 4 fases. Meiose I ou Reducional I Profase - ocorre em várias subfases: leptoteno, zigoteno, paquiteno, diploteno, e diacinese. Durante esta fase, ocorre o emparelhamento entre cromossomas homólogos característico da meiose. Metafase - ocorre a fragmentação carioteca; os cromossomas unem-se as fibras do fuso acromático e ligam-se pelo centrómero. Anafase - os cromossomas homólogos migram para pólos opostos sem ocorrer a divisão do centrómero. Telofase - o fuso acromático desfaz se, os cromossomas descondensam-se os nucléolos reaparecem e surgem novos núcleos. Meiose II Profase II - as células resultantes da telofaseI iniciam uma nova divisão celular. Os cromossomas iniciam uma condensação homogénea e a fragmentação da carioteca; Metafase II - os cromossomas espalham-se no citoplasma. Os cromossomas unem-se as fibras do fuso acromático e ficam voltados para um pólo celular; Anafase II - ocorre a divisão do centrómero e os cromossomas–irmãos migram para pólo opostos; Telofase II - os cromossomas descondensam-se, as moléculas reaparecem, o citoplasma divide-se e surgem quatro células-filhas. 27 O processo de miose é utilizado pelos organismos animais para gerar gâmetas, e pelos organismos vegetais para gerar esporos. Historial da citogenetica As primeiras ideias sobre cromossomos surgiram no fim do século XIX, quando os primeiros estudos sobre mitose foram realizados. ―Os geneticistas Europeus estudavam o número e a estrutura dos cromossomos usando células em divisão com alguns corantes para depois iniciar a examinar. Porem antigamente foi mal interpretado, erradamente, que as células humanas continham 48 cromossomos‖ (SNUSTAD & SIMMONS, 2008:112). Em 1866, Haeckel propôs que o núcleo celular era o principal agente responsável pela divisão das células. O primeiro cientista, entretanto, a descrever o processo da divisão celular mitótica de forma clara foi o zoólogo alemão Anton Schneider, em 1873. Embora os estudos com cromossomos tenham se tornado frequentes, a ideia de que estavam envolvidos com herança somente surgiu em 1887, nos trabalhos de Weismann, que os introduziu em sua teoria de herança, mesmo com total ignorância das leis de Mendel, as quais foram redescobertas apenas em 1900, por três cientistas: Correns, de Vries e Tschermak. Com o renascimento das leis de Mendel, surgiu a teoria da herança cromossómica, que relaciona os cromossomos com a herança regida pelas leis mendelianas. Este foi um marco para o estudo dos cromossomos, onde a citologia e a genética passaram a sobrepor seus conhecimentos numa área posteriormente denominada citogenética. O progresso da Citogenética clássica se deu a partir do início do século passado acompanhando o aprimoramento de técnicas e equipamentos de microscopia. Sacchet, 1999 a define como a ciência que estuda os constituintes celulares portadores da informação genética (cromossomos). A demonstração de que os genes residem nos cromossomos aumento o interesse nessa pesquisa e levou a estudos importantes sobre o número e estrutura dos cromossomos. A técnica usada actualmente para estudo dos cromossomos é a mesma nos seus pontos básicos, isto é; o uso de substâncias como a colchicina que interrompe a divisão das células na metáfase, facilitando a visualização dos cromossomos que estão no estado máximo de condensação. 28 Em relação à espécie humana, até meados do século passado não se sabia exactamente o número de cromossomos, sendo atribuído a Tjio e Levan (1956) a descoberta de que o genoma humano é constituído por 46 cromossomos (ou 23 pares), sendo 44 autossómicos e 2 sexuais, contribuindo de forma decisiva para estudos de doenças genéticas e de evolução. Actualmente a citogenetica é usada para ter cromossomos, para facilitar o diagnóstico de síndrome, anomalias e enfermidades. Os cromossomos Humanos Cariótipo é o conjunto cromossômico de uma espécie. Ele representa o número total de cromossomos de uma célula somática 2n. Cada espécie possui um conjunto cromossômico típico quanto ao número e à morfologia dos cromossomos. Assim, a organização dos cromossomos em pares constitui o cariótipo. Portanto, nos núcleos existem pares de cromossomos homólogos. Denominamos n o número básico de cromossomos de uma espécie, portanto as células diplóides apresentarão em seu núcleo 2n cromossomos e os haplóides n cromossomos. De acordo com ALBERTS, et al. (1997:1294) ―Nas células somáticas humanas são encontrados 23 pares de cromossomos. Destes, 22 pares são semelhantes em ambos os sexos e são denominados autossomos. O par restante compreende os cromossomos sexuais, de morfologia diferente entre si, que recebem o nome de X e Y‖. Cada cromossomo mitótico apresenta uma região estrangulada denominada centrómero ou constrição primária que é um ponto de referência citológico básico dividindo os cromossomos em dois braços: p (de petti) para o braço curto e q para o longo. Os braços são indicados pelo número do cromossomo seguido de p ou q; por exemplo, 11p é o braço curto do cromossomo 11. Além da constrição primária descrita como centrómero, certos cromossomos apresentam estreitamentos que aparecem sempre no mesmo lugar: São as constrições secundárias. De acordo com a posição do centrómero, distinguem-se alguns tipos gerais de cromossomos: Metacêntrico, Submetacêntrico e Acrocêntrico. Metacêntrico: Apresenta um centrómero mais ou menos central e braços de comprimentos aproximadamente iguais. 29 Submetacêntrico: O centrómero é excêntrico e apresenta braços de comprimento nitidamente diferentes. Acrocêntrico: Apresenta centrómero próximo a uma extremidade. Os cromossomos acrocêntricos humanos (13, 14, 15, 21, 22) têm pequenas massas de cromatina conhecidas como satélites fixadas aos seus braços curtos por pedículos estreitos ou constrições secundárias. Aplicações Citogenéticas em Biologia Diversas técnicas são usadas no estudo do cariótipo humano, e empregadas em culturas de fibroblastos de medula óssea, sangue periférico e pele. As mitoses são bloqueadas com colchicina (substância que bloqueia a formação dos microtúbulos do fuso) durante a metáfase. O cariótipo é habitualmente obtido através de fotomicrografia. Cada cromossomo é recortado e alinhado com o seu homólogo em uma ordem decrescente de tamanho. Esta técnica é facilitada pela determinação do índice centromérico, razão entre os comprimentos dos braços longos e curtos do cromossomo. É possível a obtenção de células para cariotipagem e diagnóstico de aberrações cromossómica mesmo antes do nascimento da criança. Isto é possível através da amniocentese, ou seja, punção da parede uterina com uma agulha para obtenção do fluido amniótico, que é analisado para determinar se o feto possui alguma aberração e até mesmo o sexo deste. ―As técnicas de bandeamento cromossómico “expandiram” os horizontes da citogenética, e a primeira aplicação do bandeamento deu-se no pareamento cromossómico. Essas técnicas têmpossibilitado compreender melhor as alterações cromossómicas que se estabelecem em cada genótipo.‖ (GUERRA, 1988:65). Bandas Q: os cromossomos são submetidos a um tratamento com quinacrina mustarda, uma substância fluorescente e passam a apresentar faixas com diferentes intensidades de fluorescência, com um padrão de bandas brilhantes e opacas característico para cada par. Tais bandas foram designadas de bandas Q (de quinacrina). O material deve ser analisado em microscópio de fluorescência e as regiões brilhantes são ricas em bases AT. Tem como importância a detecção de deleções, inversões e duplicações em humanos. Bandas G: os cromossomos são desproteinizados por acção da tripsina e, posteriormente são corados com Giemsa (de onde deriva o nome bandas G). Os cromossomos mostram um padrão 30 de bandas claras e escuras, no qual as faixas escuras correspondem ao DNA rico em bases AT e poucos genes activos; as bandas G claras têm DNA rico em bases GC e apresentam muitos genes activos. Importância: detecção de delecções, inversões e duplicações em humanos. Bandas R: os cromossomos são tratados com solução salina e calor para uma desnaturação controlada e depois são corados com Giemsa. O resultado de bandas claras e escuras é típico de cada cromossomo e representa o inverso daquele produzido pelos bandeamentos Q e G (de onde deriva sua designação de bandas reversas). Bandas C: os cromossomos são tratados com solução ode hidróxido de bário e corados com Giemsa. Com este método, são coradas regiões específicas em que o cromossomo apresenta DNA altamente repetitivo, como nas regiões dos centrómeros e em outras regiões cromossómicas (ex: braço longo do Y e telômeros), correspondendo à heterocromatina constitutiva, motivo de sua denominação. Bandas NOR: os cromossomos são corados em suas regiões satélites, ou seja, na região organizadora do nucléolo (constrição secundária). A prata (Ag) é um dos corantes mais usados. Bandeamento de alta resolução: os cromossomos são analisados em estados de prófase e pró-metáfase e apresentando compactação de metáfase. São evidenciadas mais de 2000 bandas no cariótipo humano. A técnica pode ser usada na identificação das bandas Q, G e R e detecta alterações cromossómicas pequenas, como microdeleções, importante em estudos evolutivos. FISH: fluorescence in situ hybridization, é o maior progresso da citogenética nos últimos anos. A técnica baseia-se na formação duplex, sob condições bem definidas, de um fragmento de ácido nucléico de fita simples modificado e sua sequência complementar (seqüência alvo) em um espécime biológico fixado. Detecta sequências específicas de ácidos nucléicos, como regiões de microdeleções e rearranjos cromossómicos. Essa técnica pode ser usada para estudar os cromossomos de células em metáfase, mas seu principal uso é nas células em intérfase, quando anormalidades numéricas e algumas estruturais podem ser detectadas. Uma das principais aplicações do bandeamento cromossómico é a identificação de cromossomopatias, que são definidas como quaisquer síndromes causadas por anomalias cromossómicas. 31 Anomalias cromossómicas humanas O funcionamento normal do sistema genético depende da estabilidade do material genético contido nos cromossomos. As anormalidades ocorrem na divisão celular ou acidentes nos cromossomos (mutações) resultando células ou organismos com genomas anômalos. Mutações podem ser definidas como um evento que dá origem a alterações qualitativas ou quantitativas no material genético. ―As anomalias cromossómicas podem ser numéricas ou estruturais e envolvem um ou mais cromossomos autossomos, cromossomos sexuais ou ambos. As anomalias numéricas afectam o número do complemento cromossómico normal da espécie humana, podendo resultar em aumento ou diminuição. As anomalias estruturais modificam a morfologia normal de um ou mais cromossomos‖. (ALBERTO, 2006:224) As alterações constitucionais fazem parte da constituição do indivíduo e estão presentes desde o inicio de sua formação nas células fetais. Já as alterações adquiridas ocorrem durante o desenvolvimento do indivíduo. As anomalias numéricas De acordo com ALBERTO (2006:228), ―As anomalias numéricas são classificadas em dois grandes grupos: Euploidia e aneuploidia. As únicas alterações constitucionais encontradas na espécie humana são as triploidia (3n) e tetraploidia (4n)‖. A euploidia - é uma modificação onde todos os cromossomos do cariótipo estão aumentados ou diminuídos. As alterações na euploidia ocorrem como consequência da falha de uma das divisões da maturação do ovócito ou do espermatozóide. A sobrevivência de um indivíduo totalmente euplóide é impossível, e quase todos os casos de triploidia (3n) ou de tetraploidia (4n) somente foram observados em abortos espontâneos. Raros foram os casos que chegaram a termo e, mesmo assim, eram de natimortos ou de morte neonatal. A triploidia é muito frequente em abortos que ocorrem no 1º trimestre de gestação. As manifestações clínicas das triploidias em geral são: Degenerações hidrópicas; Sindactilias e Espinha bífida. A triploidia provavelmente resulta de falha de uma das divisões da maturação no ovócito ou, geralmente, no espermatozóide. A triploidia pode se dar pelos seguintes mecanismos: 32 Diandria - um óvulo com 23 cromossomos (haplóide) é fecundada por um espermatozóide com 46 cromossomos (diplóide); Dispermia - um óvulo haplóide é fecundando por dois espermatozóides diplóides. O óvulo em seu trajecto na tuba uterina ―envelhece‖ e fica mais susceptível a ser fecundado por dois espermatozóides. Diginia - um óvulo diplóide é fecundando por um espermatozóide haplóide. Nesse caso o material genético em excesso é de origem materna. Isso faz com que o feto possua retardo de crescimento e macrocefalia. A placenta nesse caso é atrófica. A tetraploidia (4n) - é muito rara entre RN e está presente em 5% dos abortos normais. Pode- se observar tetraploidia em indivíduos mosaicos (4n/2n). A formação de células tetraplóides se deve a um erro nas primeiras clivagens do zigoto. A aneuploidia De acordo com SNUSTAD & SIMMON (2008:118), aneuploidia ―descreve uma mudança numérica em parte do genoma, geralmente uma mudança na dosagem de um único cromossomo. São indivíduos que tem um cromossomo a mais ou a menos.‖ A aneuploidia é a variação que ocorre no cariótipo de um indivíduo por causa da diminuição ou acréscimo de um ou mais cromossomos. As principais formas de aneuploidias Nulissomia – falta de um par de cromossomos no cariótipo normal; Monossomia – falta de um cromossomo no cariótipo normal; Trissomia – acréscimo de um cromossomo no cariótipo normal; Tetrassomia – acréscimo de um par de cromossomos no cariótipo normal. O mecanismo cromossômico mais comum da aneuploidia é a não-disjunção meiótica, uma falha da separação de um par de cromossomos durante uma das duas divisões meióticas. As consequências da não-disjunção durante a meiose I e a meiose II são diferentes: Quando o erro ocorre na Meiose I, as gametas apresentam um representante de ambos os membros do par de cromossomos ou não possuem todo um cromossomo. Síndrome de Down - A síndrome de Down é uma anomalia cromossómica ligada à presença de um cromossomo idêntico aos do par 21, por esta razão a Síndrome de Down é chamada de trissomia do 21. É a mais frequente das anomalias cromossómicas. O portador da Síndrome de 33 Down apresenta um fenótipo característico: fenda palpebral oblíqua, baixa estatura, cabelos lisos e macios, retardo no desenvolvimento mental e outras. Síndrome de Klinefelter - A síndrome de Klinefelter é causada pela constituiçãogenética anômala. O cariótipo mais frequente é do tipo 47, XXY. Os indivíduos portadores desta síndrome apresentam pénis normal ou diminuído, testículos sempre pequenos e duros, são estéreis. Síndrome de Turner - Caracterizada pela falta total ou parcial de um cromossomo X. O cariótipo é do tipo 45,XO, fenotipicamente são fêmeas. Os portadores apresentam estatura retardada, ovários rudimentares, não apresentam menstruação e não apresentam características sexuais secundárias. O diagnóstico das anomalias cromossómicas se dá geralmente após o nascimento. No entanto, com o advento de novas tecnologias já é possível a identificação de tais anomalias no pré-natal. As anomalias em cromossomos sexuais são mais difíceis de se detectar no pré-natal, pois elas alteram pouco o fenótipo nesta fase. A Citogenetica molecular De acordo com GERRA, 2000: 12 “ A citogenetica é o estudo dos cromossomas, de sua estrutura e sua herança aplicado à prática da genética médica. A análise cromossômica, o cariótipo, com uma resolução e precisão muitíssimo melhoradas, são um procedimento diagnóstico cada vez mais importante em várias áreas da medicina‖. Quando o alvo da análise é a molécula do DNA ou partes dela, a análise é denominada molecular e quando é investigado o núcleo interfásico ou metáfase, em lâminas, com a utilização de estratégias moleculares é denominada citogenética molecular. Os distúrbios cromossômicos formam uma importante categoria de doenças genéticas. Eles contribuem para uma grande proporção de todas as perdas reprodutivas, malformações congênitas e retardo mental, tendo um importante papel na patogenia da malignidade. As anomalias cromossômicas específicas são responsáveis por mais de 100 síndromes identificáveis. Os distúrbios citogenéticos estão presentes em quase 1% dos nativivos, em cerca de 2% das gestações de mulheres com mais de 35 anos que tiveram diagnóstico pré-natal e em metade de todos os abortos espontâneos de primeiro trimestre. 34 Uso da citogenetica molecular em medicina A genética molecular é uma das áreas científicas que mais tem contribuído para o progresso recente da medicina. Quase todas as doenças tem uma base genética e os enormes avanços científicos obtidos após o sequenciamento do genoma humano estão a permitir trazer para a prática médica novas formas de diagnóstico e de terapêutica. Os testes citogenéticos permitem também detectar o reaparecimento das primeiras células tumorais e cancerígenas em doentes em fase de remissão, isto é, sem sintomas após terapia, Indicando aos médicos a necessidade de iniciar um novo ciclo de tratamento. Nos últimos anos foram desenvolvidos diversos medicamentos para o tratamento de infecções pelos vírus causadores de SIDA e das hepatites. No entanto estes vírus tem uma grande capacidade de mutar, isto é, alterar o seu genoma, tornando-se resistentes a algumas drogas usadas no seu tratamento. As doenças geneticamente determinadas são classificadas em três categorias principais: cromossômicas (que são aquelas com envolvimento de vários genes localizados no cromossomo alterado), monogênicas (com um gene envolvido com padrão de herança especifico) e multifatoriais (envolvimento de vários genes e participação do ambiente), embora, além dessas, duas outras categorias, actualmente devem ser consideradas, as de origem mitocôndriais e do distúrbio das células somáticas (câncer), (CESAR e CEZAR, 1979:203). A análise genética do vírus permite detectar a ocorrência destas mutações, permitindo aos médicos recorrer precocemente a outras drogas de modo a continuar a combater com eficácia a infecção. Hoje sabe-se como é importante controlar a concentração de colesterol no sangue (colesterolémia) uma vez que níveis elevados de colesterol podem provocar aterosclerose e ataques cardíacos. Conhece-se e consegue-se identificar alguns erros genéticos (mutações) responsáveis pelo aumento da colesterolémia em indivíduos jovens. A realização de um teste genético permite aos médicos diagnosticar a doença e iniciar a medicação para baixar o nível de colesterol, evitando assim o alto risco de um ataque cardíaco a que estas pessoas estariam sujeitas. Através das citogenética pais podem ficar sabendo antecedentes se o bebe possui alguma deficiência e podem preparar-se psicologicamente para enfrentar a situação. A citogenética pode ser usada nos casos de: 35 Neoplasias - É uma proliferação celular não controlada, sem resposta a fatores reguladores da diferenciação celular, com invasão dos tecidos adjacentes e metástases para órgãos distantes, pela disseminação de células através da corrente sanguínea e linfática. As neoplasias hematológicas se dividem em: síndromes mielodisplásicas, mieloma múltiplo, gamopatias monoclonais, síndromes mieloproliferativas, leucemias e linfomas. O estudo das alterações cromossomicas presentes nas neoplasias principalmente hematológicas, tem grande impacto no auxílio de diagnóstico, no prognóstico e na monitorização da doença. Leucemia - A característica comum a todas as leucemias é uma proliferação desregulada, na medula óssea, de uma célula hematopoiética. A célula leucêmica cresce mais que Os elementos normais e os substitui em todas as áreas da medula, consequentemente, a medula aspirada de qualquer local vai revelar infiltrado leucêmico. A célula leucêmica também prolifera em locais extramedulares de antiga hematopoiese fetal, isto é, o fígado e o baço e, nas leucemias linfocíticas, nos linfonodos. Uma vez detectada pela citogenética tradicional, pode-se notar quais as alterações sofridas na fase de diagnóstico e a citogenética através da técnica de FISH (hibridação em situ fluorescente). Assim fazendo-se um acompanhamento para a monitorização do tratamento ou detecção de doença residual e para avaliação de quimeras após transplante de medula. A análise cromossômica das doenças hematológicas malignas é eficiente não só para um diagnóstico mais refinado, mas também para a compreensão dos mecanismos envolvidos na malignidade e para encontrar genes de importância biológica. As anormalidades cariotípicas estão confinadas aos clones malignos, desaparecem durante a remissão hematológica e reaparecem com a recidiva, algumas vezes demonstrandoevidência de novas alterações supostas ao clone anormal original (FARIAS e CASTRO, 2004). A vantagem da citogenética é que ela é capaz de detectar alterações clonais, estruturais e numéricas, e, quando presentes, mesmo em um número pequeno de células, apenas duas a três metáfases serão suficientes para determinar um clone neoplásico. Outra vantagem é que a citogenética poderá detectar alterações clonais novas, ou seja, evoluções clonais. O futuro da citogenética Há uma crescente necessidade para melhorias no diagnóstico molecular de doenças em crianças. Pelo facto da progressão das doenças ser extremamente rápido, embora com muita 36 heterogeneidade de sintomas e sinais clínicos, o diagnóstico molecular rápido facilita as decisões clínicas de impacto. Felizmente nos últimos anos, os equipamentos de sequenciamento do DNA ou a chamada ―next generation sequence‖ juntamente com melhores ferramentas de análise de dados têm sido capazes de facilitar o diagnóstico de doenças genéticas em poucos dias e não mais em semanas ou anos, e podemos esperar que isso seja realizado em poucas horas pois as tecnologias neste campo estão evoluindo muito rápido. A maioria das doenças genéticas não tem tratamento ainda, no entanto, para as que já foram identificadas e existem tratamentos, este tipo de testes ira aumentar as chances de sobrevivência e evitar os problemas causados por uma condição não
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