Bactérias e Bacterioses principios da genetica bacteriana

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Bactérias e Bacterioses 
Profº Claudius Cabral 
17/02/2020 
Princípios de genética bacteriana 
Introdução ao estudo da genética bacteriana 
 Estudo da estrutura do genoma bacteriano, assim como os 
mecanismos de hereditariedade e da variabilidade das bactérias e 
suas descendentes. 
Introdução 
→ As bactérias são haploides, com um cromossomo circular 
composto de dupla fita de DNA. 
→ O cromossomo, que está livre no citoplasma em uma 
configuração enrolada, e muito maior do que a celula-mae e 
contém um grande número de genes. 
→ Cada gene e um segmento do DNA cromossômico cuja 
sequência de nucleotídeos codifica uma proteína especifica que é 
necessária a estrutura básica da célula ou ao processo metabólico. 
→ Plasmídeos, bacteriófagos e elementos transponíveis podem 
contribuir para informação genética adicional, que talvez influencie 
a expressão fenotípica 
Estrutura do DNA 
→ Constituído por três e lementos principais: quatro bases 
nitrogenadas, um grupamento fosfato e um açÚCar (desoxirribose) 
→ Pirimidinas: citosina e timina 
→ Purinas: adenina e guanina 
→ Os três elementos ligados entre si nucleotídeo 
→ Fosfato e açÚCar hidrofílicos, bases hidrofóbicas 
→ Bases sempre pareadas A-T e C-G 
 
 
O que é um gene? 
→ Um gene é a menor unidade funcional do genoma, responsável 
pela codificação de uma proteína 
→ Fenótipo x genótipo: Genótipo é o conjunto formado pelos 
genes de um indivíduo que não são modificados naturalmente. 
O fenótipo refere-se às características visíveis que podem ser 
modificadas. 
→ Os genes, informações contidas no DNA, através do 
processo de transcrição, são convertidas em RNA ⇝ 
formação de proteínas 
→ Organização dos genes bacterianos ⇝ operon* 
(Grupos de um ou mais genes estruturais expressos a partir de um 
promotor especifico. Operons com muitos genes estruturais são 
chamados policistrônicos.) * 
 
 
Reunindo todos os genes bacterianos 
O conceito de pangenoma 
 
 
 
→ Na biologia molecular descreve a coleção de todos os genes 
de uma espécie. 
→ É um superconjunto de todos os genes de todas 
as linhagens de uma espécie. 
→ O pangenoma inclui o genoma-núcleo que contém genes 
presentes em todas as cepas, um "genoma dispensável" que 
contém genes presentes em duas ou mais cepas e, finalmente, 
"genes únicos" específicos para as cepas particuladas. 
 
Duplicação do DNA bacteriano 
→ Ocorre antes do processo de divisão celular, sendo uma etapa 
crucial a sobrevivência da célula 
→ Características da replicação bacteriana: 
 ⇢ Semiconservativa 
 ⇢ Simétrica 
 ⇢ Bidirecional 
Essencialmente três etapas 
 ⇢ Iniciação 
 ⇢ Alongamento 
 ⇢ Terminação 
→ Como as bactérias replicam por fissão binaria, as células-filha 
são geneticamente idênticas. 
→ Durante a replicação, a sequência dos nucleotídeos purina e 
pirimidina no DNA e copiada em duas moléculas-filha de fita dupla. 
Cada uma delas e composta de uma fita da molecula-mae e de 
uma fita complementar recém-sintetizada por um processo 
chamado replicação semiconservativa. Como as duas fitas-mãe da 
hélice do DNA são desenroladas sob a influência da enzima DNA-
girase, cada uma age como molde para a síntese da fita 
complementar. 
→ Dessa maneira, duas moléculas de DNA helicoidal idênticas são 
sintetizadas pela ação da enzima DNA-polimerase. 
→ As extremidades das fitas novas completamente sintetizadas 
são ligadas pela ação da enzima DNA-ligasse para formar um 
cromossomo circular. 
Transcrição do DNA 
→ Processo de síntese de uma fita de RNA mensageiro a partir 
de uma fita de DNA 
→ Nas bactérias, esse processo é realizado concomitantemente 
a tradução do RNA (síntese proteica) 
Catalisado pela enzima RNA polimerase 
→ Durante a transcrição, uma fita de DNA, a fita positiva, e 
transcrita para RNA mensageiro (RNAm). 
→ A enzima RNA-polimerase DNA-dependente liga-se a região 
promotora, uma sequência especial de nucleotídeos na fita positiva. 
→ As duas fitas de DNA são separadas, e uma fita de RNAm 
complementar e sintetizada. 
→ A transcrição para RNAm cessa quando a enzima alcança a 
sequência terminadora do gene. 
→ A informação codificada no RNAm e traduzida em proteína no 
ribossomo pelo envolvimento de RNA transportador (RNAt). 
→ Cada molécula do RNAt tem uma trinca de três bases, o 
anticódon, que é complementar ao códon do RNAm. 
→ Cada trinca de RNAt transporta um aminoácido 
especifico para o RNAm no ribossomo, onde os aminoácidos são 
ligados continuamente para formar uma cadeia polipeptídica. 
→ Após a ligação de dois aminoácidos, o RNAt do primeiro 
aminoácido e liberado do ribossomo. 
https://es.wikipedia.org/wiki/Especie
https://es.wikipedia.org/wiki/Superconjunto
https://es.wikipedia.org/wiki/Cepa
→ A síntese da cadeia de proteína para quando um códon sem 
sentido (nonsense) e encontrado pelo ribossomo. 
 
Essencialmente três etapas 
→ Iniciação, alongamento e terminação. 
 
Mecanismos de variabilidade genética 
→ As populações bacterianas estão em constante evolução 
→ A obtenção de novos genes ou mesmo mutações podem dar 
as populações novas vantagens adaptativas 
→ Dois mecanismos principais estão envolvidos na diversidade 
genética 
→ Mutações: mudanças na sequência do código genético 
do agente, ocorre de forma espontânea ou induzida 
 ⇢ Por substituição de bases 
 ⇢ Por inserção ou deleção de bases 
→ Recombinações: troca de segmentos de DNA entre 
genomas 
→ Pode ocorrer variação genética após mutação, na qual a 
mudança ocorre na sequência de nucleotídeos de um gene, ou por 
recombinação, na qual um novo grupo de genes e introduzido no 
genoma ou no interior do citoplasma (Fig. 4.1). 
→ O genótipo de uma célula determina seu potencial hereditário. 
→ Contudo, somente uma pequena proporção de informação 
genética e expressa sob condições ambientais definidas. 
→ O fenótipo representa aquelas características 
reconhecidamente expressas pelo ácido nucleico da célula. 
→ Bacillus anthracis, causadora do antraz, tem uma capsula que 
é expressa somente in vivo, e não quando está crescendo em 
meios laboratoriais. 
→ Dessa maneira, o genótipo de um microrganismo e o seu 
ambiente podem influenciar a expressão do fenótipo. 
Mecanismos de variabilidade genética: 
mutações 
→ Mutação por substituição: troca de apenas um 
nucleotídeo por outro (mutações pontuais) 
Ex.: DNA ATCGATTTC ⇝ ATCCATTTC 
Podem ser do tipo: 
 ⇢ Silenciosa (“nonsense” ou sinônima) 
 ⇢ Não silenciosa (“missense” ou não sinônima) 
Conservativa 
→ Não-conservativa 
⇢ Mutação silenciosa (“nonsense” ou sinônima): 
não ocasiona alteração de fenótipo 
Ex.: DNA ATCCCCTTC ⇝ ATCCCATTC 
⇢ Mutação não-silenciosa (“missense” ou não- 
sinônima) conservativa: Causa alteração de 
aminoácido, mas este possui propriedades semelhantes. Ex: 
serina, treonina, ambos neutros 
Ex.: DNA ATCTCGTTC ⇝ ATCTGGTTC 
⇢ Mutação “missense” ou não-silenciosa (ou 
não-sinônima) não conservativa: a mutação leva a 
alteração de aminoácidos, sendo o novo de propriedades diferente 
do anterior. Ex.: serina por fenilalanina, neutro por hidrofóbico 
Ex.: DNA ATCAGGTTC ⇝ ATCAAGTTC 
⇢ Mutações que alteram a sequência de 
leitura: InDels, alteram o sentido de leitura de bases da RNA 
polimerase (“Frameshift”). 
Podem ocorrer por: 
Inserção: 
Ex:. ATC AGT TTA ⇝ ATC AGT GTT A... (Asparagina é 
polar e leucina apolar) 
Quanto mais perto do terminal 5´, mais deletério é o efeito 
Deleção: ocorre a deleção de um nucleotídeo, havendo 
efeitos semelhantes a inserção. 
Ex.: ATC GAT TTA ⇝ ATC ATT TAG 
→ Uma alteracao hereditária estável no genoma bacteriano e 
chamada de mutação. 
→ Como um gene com pares de bases alterados pode codificar 
incorretamente um aminoácido de uma proteína, a mutação talvez 
resulte em alteracao fenotípica. 
→ Alterações mutacionais podem ser benéficas 
ou maléficas ao microrganismo. 
→Sob condições ambientais definidas, mutações seletivas podem 
fornecer vantagens de crescimento ao mutante em relação a 
bactéria-mãe ou a bactéria do tipo selvagem. 
→ As mutações podem ser espontâneas ou induzidas 
experimentalmente por agentes mutagênicos físicos, químicos ou 
biológicos. 
→ As mutações espontâneas podem surgir durante a replicação 
devido a erros no pareamento de bases nucleotidicas. 
→ Tais mutações ocorrem com a frequência de 10–7 a 10–11 
por par de base e são mantidas em níveis baixos devido a 
atividade regulatória de enzimas de reparo. 
→ Os tipos de mutações que podem ocorrer em bactérias estão 
listados no Quadro 4.1. 
→ Mutações pontuais, envolvendo um par de bases ou um número 
limitado de pares de bases, podem não resultar em mudanças no 
fenótipo. 
→ Ao contrário, mutações nas quais vários pares de bases 
sofrem deleção ou inserção resultam na formação de proteínas 
não-funcionais. 
→ Grandes alterações que afetam a síntese proteica influenciam 
a viabilidade bacteriana. 
Mecanismos de variabilidade genética: 
Recombinações 
Recombinações: troca de segmentos de DNA entre 
genomas 
→ Podem ser homólogas ou não-homólogas 
 ⇢ Homólogas: entre regiões com alta 
homologia 
 ⇢ Não-homólogas ou heteróloga: entre regiões 
com baixa homologia. Muito explorada em engenharia 
genética. 
→ Mecanismos de recombinação 
 ⇢ Transformação 
 ⇢ Transdução 
 ⇢ Conjugação 
A recombinação ocorre quando sequencias de DNA de duas 
fontes diferentes são integradas. Nas bactérias, a recombinação 
induz uma mudança hereditária inesperada devido a introdução de 
material genético novo de uma célula diferente. 
→ Esse novo material genético pode ser introduzido por 
conjugação, transdução ou transformação. 
 
Resumão variabilidade genética 
 
→ Mutação: alteração na sequência de bases do DNA sem 
aquisição de genes de outro microrganismo. (Processo vertical) 
 
→ Recombinação genética: alteração no genótipo que 
ocorre pela aquisição de material genético de outro microrganismo. 
(Processo horizontal) 
 
MUTAÇÃO 
✓ Alteração herdável 
✓ Pode modificar o produto (proteína) codificado pelo gene. 
GENÓTIPO X FENÓTIPO 
✓ As mutações podem ser: 
• Desvantajosas – célula perde uma característica fenotípica que 
ela necessita 
• Benéficas – célula ganha uma atividade nova ou intensificada 
que a beneficia 
• Neutras ou silenciosas – código genético degenerado 
 
MUTAÇÃO 
✓Substituição 
Mutação de sentido trocado: Substituição de base resultar em uma 
substituição de aminoácidos na proteína sintetizada 
 
MUTAÇÃO 
✓Substituição 
Mutação sem sentido: Códon de parada – impede síntese de 
proteína funcional completa 
 
MUTAÇÃO 
✓Inserções e Deleções 
Mutação da fase de leitura: Pares de bases são removidos ou 
inseridos no DNA, altera a fase de leitura da tradução – proteína 
inativa 
 
MUTAÇÃO 
→ Espontânea – Ocorre naturalmente sem a adição de um 
agente mutagênico específico, geralmente decorrente de erros 
cometidos pela DNA polimerase 
 
→ Induzida – Resultado da exposição do microrganismo a um 
agente mutagênico que é capaz de introduzir danos ou alterações 
no DNA. *físico – raios X, radiações UV *químico – óxido nitroso 
 
 
Conjugação 
 
→ Transferência de material genético extracromossomial 
entre bactérias ⇝ plasmídeos. 
→ Plasmídeos ⇝ pequeno trecho circular 
extracromossomial que codifica informações não-essenciais 
a célula 
→ Replicação autônoma 
→ Tipos de plasmídeos: 
 ⇢ Sexuais (Fator F) 
 ⇢ Resistência a antibióticos e/ou metais 
 ⇢ pesados 
 ⇢ Virulência 
 ⇢ Vias metabólicas 
 
→ A transferência de material genético durante a conjugação e 
um processo complexo que tem sido extensivamente estudado na 
bactéria entérica Escherichia coli. 
→ Esses estudos tem mostrado que duas cepas de E. coli, F+ e 
F–, participam do processo. 
→ As cepas F+ são a fonte de células doadoras, que contém um 
plasmídeo de fertilidade (F), enquanto as cepas de microrganismos 
F– não tem o plasmídeo F e são células receptoras. 
→ Durante a conjugação, bactérias F+ sintetizam um pili 
modificado, o pili F ou pili sexual. 
→ Esse pili, pelo qual o material genético pode ser transferido, 
pode-se ligar a bactéria F–. 
→ Uma fita de DNA do plasmídeo F e passada a bactéria 
receptora F–, onde a fita complementar e sintetizada. 
→ Após a formação de um novo plasmídeo F, a receptora e 
convertida em bactéria F+. 
→ Cada bactéria pode conter vários tipos diferentes de 
plasmídeos. 
→ Os genes para incompatibilidade plasmidial controlam os tipos 
de plasmídeos dentro da célula e a capacidade desses plasmídeos 
em replicar-se. 
→ Os plasmídeos pertencentes ao mesmo grupo de 
incompatibilidade não existem juntos na mesma célula, mas podem 
coexistir com plasmídeos de outros grupos de incompatibilidade. 
→ Os que governam sua própria transferência entre as células 
bacterianas são designados de plasmídeos conjugativos. 
→ Devido à complexidade da conjugação, os plasmídeos 
conjugativos são relativamente grandes, com genes que ocupam 
30 pares de quilo bases ou mais. 
→ Durante a conjugação, o DNA plasmidial e o material genético 
geralmente transferido. 
→ Contudo, o DNA cromossomal pode, algumas vezes, ser 
transferido, especialmente quando o plasmídeo F está integrado 
no genoma bacteriano, formando uma linhagem de alta frequência 
de recombinação (Hfr). 
→ O plasmídeo F pode integrar-se em locais específicos no 
cromossomo bacteriano. 
→ Esses locais representam regiões de homologia entre o DNA 
da bactéria e o desses plasmídeos. 
→ Durante a conjugação de cepas Hfr, os genes relacionados a 
transferência dos plasmídeos F são transferidos primeiro. 
→ Há potencial para transferência do cromossomo inteiro; 
contudo, essa e uma ocorrência improvável, pois a transferência, 
que pode durar mais de 100 minutos, e geralmente interrompida 
antes de ser completada. 
→ Embora a conjugação seja mais frequentemente associada a 
bactérias Gram-negativas, também pode ocorrer em bactérias 
Gram-positivas. 
→ Pili sexuais não são formados em bactérias Gram-positivas; o 
DNA plasmidial pode ser transferido quando as bactérias estão 
em contato íntimo. 
 
Resumão Conjugação 
Transferência de DNA de uma bactéria para outra que envolve o 
contato entre as duas células 
 
✓ Transferência genética envolvendo contato célula-célula 
✓ Não envolve transferência recíproca de material genético, é 
unidirecional. 
✓ Depende de um fator de fertilidade (fator F). 
 ✓ Presente em células doadoras (F+) e ausente em células 
receptoras (F-). 
 
⇢ Fator F 
✓ Plasmídeos conjugativos. 
✓ Origem de replicação. 
✓ Genes para conjugação. 
 ➢ Pili sexual: finas extensões na membrana celular 
pela qual ocorre a transferência do material genético. 
 
Transdução 
 
Mecanismo de transferência de genes entre bactérias mediado 
por bacteriófagos 
 
→ Na transdução, o DNA de uma bactéria doadora incorporado 
no ácido nucleico de um fago pode ser transferido pela progênie 
do fago para células receptoras suscetíveis. 
→ Durante um ciclo lítico, o DNA derivado de alguma parte do 
genoma do hospedeiro pode ser incorporado no genoma do fago. 
→ Em fagos temperados, a transdução afeta somente aqueles 
genes bacterianos adjacentes ao prófago quando um ciclo lítico e 
induzido. 
→ A transdução que ocorre durante um ciclo lítico e chamada de 
generalizada. 
→ Esse tipo de transdução ocorre em baixa frequência de 106 a 
108, de uma célula transluzida para uma característica bacteriana 
especifica ou para um marcador genético. 
→ A transdução especializada pode ocorrer quando um prófago 
e induzido a um ciclo lítico pela exposição a agentes mutagênicos 
(Fig. 4.4). 
→ Esse tipo de transdução pode resultar na transferência de 
genes bacterianos para muitas outras células, porque os genes 
bacterianos são copiados para toda a progênie do fago. 
→ Um pequeno númerode genes bacterianos e retirado com o 
prófago, e alguns genes do fago permanecem integrados no 
cromossomo bacteriano quando ocorre a lise. 
→ Dessa maneira, a progênie do fago e defectiva, visto que 
alguns genes do fago são perdidos. 
 
Resumão transdução 
• Decodificação da “linguagem” de ácido nucléico e conversão para 
a “linguagem” das proteínas 
• O RNAm está organizado na forma de códons: - Grupos de 3 
nucleotídeos - A sequência de códons de uma molécula de mRNA 
determina a sequência de aminoácidos que estarão na proteína 
sintetizada 
• Cada códon codifica um aminoácido específico 
• O código genético é degenerado 
 
Transformação 
→ Esse processo envolve a transferência de genes de um 
segmento livre de DNA cromossomal de uma bactéria doadora 
lisada para uma receptora competente. 
→ A transformação natural e rara e ocorre em poucos 
gêneros bacterianos. 
→ A transformação e limitada a células bacterianas individuais, e 
essas células são denominadas “competentes”. 
→ Estas podem ligar-se ao DNA livre, que é transportado para 
dentro da célula. 
→ Uma proteína especifica se liga ao DNA, protegendo-o de 
nucleasses intracelulares; o DNA e subsequentemente integrado 
ao genoma bacteriano. 
Resumão transformação 
Transformação: Incorporação de DNA livre, geralmente decorrente 
de lise celular 
✓ Algumas bactérias são naturalmente transformáveis 
(competentes). 
✓ Célula competente – célula receptora em um estado fisiológico 
capaz de captar o DNA doador. 
✓ Competência – alterações na parede celular, tornando-a 
permeável a moléculas de DNA. 
✓ E. coli – não é naturalmente competente. Tratamento para 
induzir competência – engenharia genética 
 
 
Obs 
Plasmídeos 
→ Muitas bactérias contem pequenos elementos genéticos, 
denominados plasmídeos, que estão localizados no citoplasma e 
podem replicar- 
se independentemente. 
→ A maioria dos plasmídeos e circular e composta de DNA de 
fita dupla; tem tamanho variável, mas geralmente menor do que 
um decimo do tamanho do genoma bacteriano, contendo genes 
que podem ser utilizados pela célula. 
→ Em muitas bactérias patogênicas, os plasmídeos codificam 
fatores de virulência e de resistência a antibióticos. 
→ Os plasmídeos podem utilizar enzimas celulares para 
replicação. 
→ Alguns plasmídeos, como os plasmídeos F, podem integrar-se 
ao genoma bacteriano e ser transferidos as células-filha durante a 
replicação. 
→ Contudo, a replicação da maioria dos plasmídeos não está 
diretamente relacionada a multiplicação bacteriana. 
→ Além disso, a distribuição de plasmídeos entre as células-filha 
ocorre ao acaso. 
→ Plasmídeos no citoplasma bacteriano podem ser transferidos 
não somente durante a replicação, mas também por conjugação e 
por transformação. 
→ A transferência de material genético por transformação 
raramente ocorre em condições naturais, mas pode ser realizada 
em laboratório por manipulação genética de microrganismos. 
 
 
Resumão plasmídeo 
✓Moléculas de DNA dupla fita extracromossomial 
✓ Replicam independentemente do cromossomo 
✓ Circulares 
 ✓ Menores que os cromossomos 
✓ Bactérias Gram positivas e Gram negativas 
✓ Carregam informação genética não essencial a célula, mas 
podem conferir uma vantagem adaptativa