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Universidade Católica de Moçambique Centro de Ensino à Distância Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 3ºANO Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia Universidade Católica de Moçambique Centro de Ensino à Distância Direitos de autor (copyright) Este manual é propriedade da Universidade Católica de Moçambique, Centro de Ensino `a Distância (CED) e contém reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste manual, no seu todo ou em partes, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (electrónicos, mecânico, gravação, fotocópia ou outros), sem permissão expressa de entidade editora (Universidade Católica de Moçambique-Centro de Ensino `a Distância). O não cumprimento desta advertência é passivel a processos judiciais. Elaborado Por: Assane.... Licenciado em Ensino de Biologia e Química pela Universidade Pedagógica-Delegação da Beira. Colaborador e Docente do Centro de Ensino a Distância-Departamento de Química e Biologia da Universidade Católica de Moçambique. Universidade Católica de Moçambique Centro de Ensino `a Distância-CED Rua Correira de Brito No 613-Ponta-Gêa Moçambique-Beira Telefone: 23 32 64 05 Cel: 82 50 18 44 0 Fax:23 32 64 06 E-mail:ced@ucm.ac.mz Website: www..ucm.ac.mz Agradecimentos A Universidade Católica de Moçambique – Centro de Ensino à Distância, gostaria de agradecer a colaboração dos seguintes indivíduos e instituições na elaboração deste manual: Pela contribuição do conteúdo Jorge Augusto Carvalho Pela contribuição no conteúdo e revisão temática Jorge Augusto Carvalho Betinho Francisco Vicente Dèrcio Paulo Pela contribuição do conteúdo Manuel Mauane Generoso Luís Muchanga Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia i Índice Como está estruturado este Módulo ........................................................................................... 1 Ícones de Actividade .................................................................................................................. 2 Acerca dos ícones ..................................................................................................................... 3 Unidade: 01: Introdução a Genética............................................................................................7 Unidade 02 :Base Molecular da Hereditariedade.....................................................................38 Unidade 03: Genética molecular...............................................................................................88 Unidade 04: Mutações............................................................................................................145 Unidade 05: A vida e experiências de Mendel........................................................................181 Unidade 06: Relacção Alélica……………………………………………………………….227 Unidade 07: Relacção não alélicas..........................................................................................235 Unidade 08: Herança dos caracteres Ligados ao sexo............................................................246 Unidade 09: Ligação Génica...................................................................................................266 Unidade 10: Introdução à Genetica II.....................................................................................281 Unidade 11: Os Mapas genéticos............................................................................................307 Unidade 12: Genética aplicada................................................................................................320 Unidade 13: Biotecnologia....................................................................................................331 Unidade14:Biotecnologia Transgénica...................................................................................336 Unidade 15:Biotecnologia e Ética...........................................................................................339 Unidade 16 Genética das populações......................................................................................349 Referência Bibliografica.........................................................................................................371 Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia ii Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 1 Visão Geral Benvindo a Genética Caro estudante, bem-vindo a Genética. A Genética, é um campo das ciências Biológicas que se ocupa com o estudo dos processos de transmissão de características, descrevendo o funcionamento do material genético que é transmitido ao longo de várias gerações nos seres vivos através do fenómeno da reprodução. Esta cadeira permitirá que o prezado estudante, compreenda as diferentes formas estruturais e funcionais do material genético, bem como aspectos ligados a diferentes mecanismos genéticos que garantem a continuidade das mais variadas formas de vida na terra. Neste módulo, serão discutidos assuntos como: introdução a genética, aspectos históricos da genética, conceitos usados em genética, a história de mendel, as leis de mendel, importância dos estudos de mendel, a natureza química do gene, história da descoberta do ADN entre outros assuntos. Objectivos da Cadeira Quando caro estudante, terminar o estudo da cadeira de genética, deverá ser capaz de: Objectivos Interpretar as leis de Mendel; Aplicar os conhecimentos sobre a genética; Conhecer os conceitos usados em genética; Explicar a importancia do estudo da genética; Elaborar quadros de cruzamento das leis de Mendel; Caracterizar as diferentes aspectos históricos da genética; Relacionar os factores da evolução com a genética das populações. Quem deveria estudar esta Cadeira Este manual da cadeira de genética foi concebido para todos aqueles que estejam a ingressar para os cursos de licenciatura em ensino de Biologia, dos programas do Centro de Ensino `a Distância, e para aqueles que desejam consolidar seus conhecimentos em genética, para que sejam capazes de compreender melhor os aspectos ligados ao mecanismo do processo de transmissão de características hereditárias transmitidas dos pais para os filhos. Como está estruturado este Módulo Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 2 Todos os manuais das cadeiras dos cursos oferecidos pela Universidade Católica de Moçambique-Centro de Ensino `a Distância (UCM-CED) encontram-se estruturados da seguinte maneira: Páginas introdutórias Um índice completo. Uma visão geral detalhada da cadeira, resumindo os aspectos- chave que você precisa conhecer para completar o estudo. Recomendamos vivamente que leia esta secção com atenção antes de começar o seu estudo. Conteúdo da cadeira A cadeira está estruturada em unidades de aprendizagem. Cada unidade incluirá, o tema, uma introdução, objectivos da unidade, conteúdo da unidade incluindo actividades de aprendizagem, um sumário da unidade e uma ou mais actividades para auto- avaliação. Outros recursos Para quem esteja interessado em aprender mais, apresentamos uma lista de recursos adicionais para você explorar. Estes recursos podem incluir livros, artigos ou sites na internet. Tarefas de avaliação e/ou Auto-avaliação Tarefasde avaliação para esta cadeira, encontram-se no final de cada unidade. Sempre que necessário, dão-se folhas individuais para desenvolver as tarefas, assim como instruções para as completar. Estes elementos encontram-se no final do manual. Comentários e sugestões Esta é a sua oportunidade para nos dar sugestões e fazer comentários sobre a estrutura e o conteúdo da cadeira. Os seus comentários serão úteis para nos ajudar a avaliar e melhorar este manual. Ícones de Actividade Ao longo deste manual irá encontrar uma série de ícones nas margens das folhas. Estes icones servem para identificar diferentes partes do processo de aprendizagem. Podem indicar uma parcela específica de texto, uma nova actividade ou tarefa, uma mudança de actividade, etc. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 3 Acerca dos ícones Os ícones usados neste manual são símbolos africanos, conhecidos por adrinka. Estes símbolos têm origem no povo Ashante de África Ocidental, datam do século 17 e ainda se usam hoje em dia. Habilidades de Estudo Caro estudante, procure olhar para você em três dimensões nomeadamente: O lado social, professional e estudante, dai ser importante planificar muito bem o seu tempo. Procure reservar no mínimo 2 (duas) horas de estudo por dia e use ao máximo o tempo disponível nos finais de semana. Lembre-se que é necessário elaborar um plano de estudo individual, que inclui, a data, o dia, a hora, o que estudar, como estudar e com quem estudar (sozinho, com colegas, outros). Evite o estudo baseado em memorização, pois é cansativo e não produz bons resultados, use métodos mais activos, procure desenvolver suas competências mediante a resolução de problemas específicos, estudos de caso, reflexão, etc. Os manuais contêm muita informação, algumas chaves, outras complementares, dai ser importante saber filtrar e apresentar a informação mais relevante. Use estas informações para a resolução dos exercícios, problemas e desenvolvimento de actividades. A tomada de notas desenpenha um papel muito importante. Um aspecto importante a ter em conta é a elaboração de um plano de desenvolvimento pessoal (PDP), onde você reflecte sobre os seus pontos fracos e fortes e perspectivas o seu desenvolvimento. Lembre-se que o teu sucesso depende da sua entrega, você é o responsável pela sua própria aprendizagem e cabe a ti planificar, organizar, gerir, controlar e avaliar o seu próprio progresso. Precisa de Apoio? Caro estudante, temos a certeza de que por uma ou por outra situação, o material impresso, lhe pode suscitar alguma dúvida (falta de clareza, alguns erros de natureza frásica, prováveis erros ortográficos, falta de clareza conteudística, etc). Nestes casos, contacte o tutor, via telefone, escreva uma carta participando a situação e se estiver próximo do tutor, contacte-o pessoalmente. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 4 Os tutores têm por obrigação, monitorar a sua aprendizagem, dai o estudante ter a oportunidade de interagir objectivamente com o tutor, usando para o efeito os mecanismos apresentados acima. Todos os tutores têm por obrigação facilitar a interação, em caso de problemas específicos ele deve ser o primeiro a ser contactado, numa fase posterior contacte o coordenador do curso e se o problema for da natureza geral, contacte a direcção do CED, pelo número 825018440. Os contactos so se podem efectuar, nos dias úteis e nas horas normais de expediente. As sessões presenciais são um momento em que você caro estudante, tem a oportunidade de interagir com todo o staff do CED, neste período pode apresentar dúvidas, tratar questões administrativas, entre outras. O estudo em grupo, com os colegas é uma forma a ter em conta, busque apoio com os colegas, discutam juntos, apoiem-me mutuamnte, reflictam sobre estratégias de superação, mas produza de forma independente o seu próprio saber e desenvolva suas competências. Juntos na Educação `a Distância, vencedo a distância.. Tarefas (avaliação e auto-avaliação) O estudante deve realizar todas as tarefas (exercícios, actividades e auto-avaliação), contudo nem todas deverão ser entregues, mas é importante que sejem realizadas.As tarefas devem ser entregues antes do período presencial. Para cada tarefa serão estabelecidos prazaos de entrga, e o não cumprimento dos prazos de entrega, implica a não classificação do estudante. Os trabalhos devem ser entregues ao CED e os mesmos devem ser dirigidos ao tutor/docentes. Podem ser utilizadas diferentes fontes e materiais de pesquisa, contudo os mesmos devem ser devidamente referenciados, respeitando os direitos do autor. O plagiarismo deve ser evitado, a transcrição fiel de mais de 8 (oito) palavras de um autor, sem o citar é considerado plágio. A honestidade, humildade científica e o respeito pelos direitos autorais devem marcar a realização dos trabalhos. Avaliação Vocé será avaliado durante o estudo independente (80% do curso) e o período presencial (20%). A avaliação do estudante é regulamentada com base no chamado regulamento de avaliação. Os trabalhos de campo por ti desenvolvidos, durante o estudo individual, concorrem para os 25% do cálculo da média de frequência da cadeira. Os testes são realizados durante as sessões presenciais e concorrem para os 75% do cálculo da média de frequência da cadeira. Os exames são realizados no final da cadeira e durante as sessões presenciais, eles representam 60%, o que adicionado Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 5 aos 40% da média de frequência, determinam a nota final com a qual o estudante conclui a cadeira. A nota de 10 (dez) valores é a nota mínima de conclusão da cadeira. Nesta cadeira o estudante deverá realizar: 2 (dois) trabalhos; 1 (um) teste e 1 (exame). Não estão previstas quaisquer avaliações orais. Algumas actividades práticas, relatórios e reflexões serão utilizadas como ferramentas de avaliação formativa. Durante a realização das avaliações, os estudantes devem ter em consideração: a apresentação; a coerência textual; o grau de cientificidade; a forma de conclusão dos assuntos, as recomendações, a indicação das referências utilizadas, o respeito pelos direitos do autor, entre outros. Os objectivos e critérios de avaliação estão indicados no manual. Consulte-os. Alguns feedbacks imediatos estão apresentados no manual. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 7 Unidade: 01: Introdução a Genética Introdução Prezado estudante, seja bem vindo introdução ao estudo da genética. A genética é definida como ciência que estuda o processo de transmissão de características dos pais para os filhos. Portanto, está convidado para uma discussão activa sobre a o tema proposto nesta unidade, sendo necessário usar todo conhecimento que dispõe sobre a matéria. Ao completar esta unidade você será capaz de: Conceito A Genética é o ramo da Biologia que trata da hereditariedade. As unidades hereditárias, que especificam uma função biológica e que são transmitidas de uma geração a outra (herdadas) são denominadas genes. Estes são formados por uma longa molécula de ácido desoxirribonucleico (DNA). O DNA, juntamente com a matriz proteica forma a nucleoproteina e pode-se organizar em estruturas microscópicas observáveis na célula durante a divisão celular. Estas estruturas que possuem propriedades de diferentes colorações denominam-se cromossomas e são encontrados no núcleo dos eucariota ou no nucleóide dos procariota. (o mais correcto é considerarque o nucleóide dos procariota é DNA circular e não cromossoma pois este DNA não chega a formar uma estrutura que possa ser considerada um cromossoma). Objectivos Definir genética; Descrever a genética na actulidade; Explicar o campo de estudo da genética; Relacionar a genética com outras ciências; Caracterizar o objecto de estudo da genética. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 8 A genética é definida como ciência que estuda o processo de transmissão de características dos pais para os filhos. Gregor Mendel (1822-1884) é considerado o pai desta ciência. Realizou suas experiências com ervilheiras da espécie Psum sativum, publicados em 1866. Esta foram realizadas no espaço limitado de um jardim do mosteiro onde também fora requisitado como professor substituto. As conclusões tiradas na sua interessante investigação contituem o fundamento da genética actual. Surgimento e Desenvolvimento da Genética Desde criança sabemos que as caracteristicas dos seres vivos são herdados dos pais. Estamos acostumados a ver animais e plantas produzem descendentes da sua proprias especie, nimguem duvida que uma Cadela prenhe terá cachorinhos, ou que uma mulher grávida dará a luz uma criança com traços semelhantes aos seus. Os filosofos gregos, há mais de 2 mil anos ja se preocupavam em encontrar explicação para a herança biológica ou heredetariedade dos caracteres . no entantofoi apenas a partir de 1900 que se compriendeu o mecanismo pelo qual se dá a transmissão de caracteristicas de pais para filhos. Evolução das ideias sobre heredetariedade O médico e filósofo grego Hipócrates, conhecido como pai da medicina é também considerado um dos “pais” da Genética, ramo da Biologia que estuda a transmissão das caracteristicas heredetárias. Em 410 ac, ele propôs a primeira hipótese de que se tem noticias sobre a heredetariedade: a pangênese. Sergundo a pangênese, cada orgão ou parte do corpo de um organismo vivo produziria particulas heredetarias chamadas gêmulas, que seriam transmitidas aos descendentes no momento da concepção. Por exemplo. Uma pessoa produziria, nos olhos gêmulas de olho, com caracteristicas proprias de cor, forma, tamanho etc.Essas gêmulas do olho, junto com as gêmulas provenientes de todas outras partes do corpo, migrariam para para o semém e seriam passados para os filhos. O novo ser construiria seu corpo, apartir das gêmulas produzidas pelos pais. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 9 Embora a pangênese não explique corectamente a herança , ela tem valor como método de investigação cientifica. Hipócrates foi capaz de identificar o problema a ser investigado, talvez o passo mais dificil do procedimento cientifico, propondo uma hipotese criativa e plausivel para a herança dos caracteres. Durante muito tempo a pangênese foi uma das explicações mais consistentes para herança biológica, sendo aceita até ao final do séc XIX. Proprio Charles Darwin chegou a adopta-la como explicação para a heredetariedade, o que, mais tarde, trouxe criticas á sua teoria evolucionista. Aproximadamente um seculo depois de Hipócrates, o filosofo grego Aristoteles escreveu um tratado em que falava sobre o desnvolvimento e heredetariedade dos animais. Nesse trabalho ele defendia a existencia, no sêmen do pai, de algum tipo de substancia responsavel pela herança. Aristoteles descartava, assim, certas ideias então vigentes, que atribuiam as semelhanças entre os pais e filhos exclusivamente a causas espirituais e emocionais. Aristoteles fez diversas criticas a pangênese, Segundo ele essa hipotese não explicava como uma pessoa podia herdar caracteristicas presente nos avôs, mas ausentes em seus pais. O exemplo em que Aristoteles se baseou foi o da mulher branca, casada com um homen negro, cujo filho era branco e o neto tinha pele quase negra. Em 1667, o microscopista Holandês Antonie Van Leeuwnhoek (1632- 1723) descobriu que o sêmen expelido pelos machos no acto sexual continha milhares de criaturas microscopicas, que nadavam freneticamente: os espermatozóides (do grego spermatos, semente, zoon, animal, e oide, que tem forma de).Ele imaginou que os espermatozóides podiam ter relação com os nascimento de um novo ser, penetrando no ovo e estimulanhdo seu desenvolvimento. Essa ideia confirmadsa dois seculos mais tarde, foi inicialmente contestada por muitos cientistas, que achavam que os espermatozóides eram simplesmente microbios parasitas que se desenvolvem no sêmen. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 10 Na época dessas primeiras observações, os microscopios eram precários, e as imagens obtidas atraves deles eram de má qualidade. Apesar disso alguns pesquisadores, usando a força da imaginação, julgaram ter visto um pequeno individo no interior de cada espermatozóide.Surgia assim a hipótese pre-formista, ou pre- formismo, segundo o qual o espermatozóide continha no seu interior, um ser microscopico totalmente formado. Curiosamente havia aqueles que advogavam a presença de um ser pre-formado no óvulo, e não no espermatozóide. Com o desenvolvimento do microscopio, o pre-formismo foi descartado. Por mais que observassem espermatozóides e óvulos, os citologistas não viam no seu interior nada que se assemelhasse a uma criatura em miniatura.Ao contrario, óvulos e espermatozóides eram células como outras quasquer, formadas por membrana, citoplasma e núcleo. Em meados do sec XIX foi demonstrado que os espermatozóides penetram no óvulo, confirmando a antiga previsão do Leeuwenhoek. Logo em seguida, estudos microscópicos mostraram que os espermatozóides se originam de celulas presentes nos finos túbulos que constituem os testiculos. A ligação entre estas e outras descobertas foi consolidando a ideia de que o novo ser surge sempre da união de duas células, os gametas( do grego gamos, união, casamento), uma fornecida pelo pai- erspermatozóides e outra fornecida pela mãe-o óvulo. A união dos gametas masculino e femenino é a fecundação ou fertilização. Em 1865, o monge austríaco Gregor Mendel descobriu que cada caracteristica de um individo era determinada por um par de factores heredetários, no momento de formar gametas, os factores se separavam de modo que o gameta era portador de apenas um factor relativo a cada caracteristicas. Na época que foram publicados, os trabalhos de Mendel não btiveram o devido reconhecimento. Cerca de 35 anos depois, porém já no inicio do séc XX, as ideias enunciadas por Mendel foram redescobertas, lançados bases da genética. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 11 No inicio do sec. XX os factores heredetarios idealizados por Mendel foram localizados: estavam nos cromossomos de todas as células. Na década de 1920, consolidava-se a teoria cromossômica da herança, segundo o qual os factores heredetários, já então denominados genes, se destribuiam ao longo do comprimento dos cromossomas. Muitos genes começaram a ser localizados, mapeados e estudados atrves das analises de cruzamentos experimentais.Surgia assim a genética moderna. Na década de 1940 foram obtidas as primeiras evidencias de que a substancia heredetária era o ácido desoxirribonucléico, conhecido pela sigla DNA. Em 1953, James Watson e Francis Crick propuseram o famoso modelo da dupla-hélice para a molécula de DNA, que explicava as caracteristicas dessa substância como material constituinte dos genes. Na década de 1960 os cientistas descobriram que os genes contêm instruções escritas em uma espéciede código molecular, o código genético. A decifração do sistema de codificação genética permitiu grande avanço não só da genética, mas de toda a biologia. Actualmente já é possivel isolar genes de um organismo e transplantá- los para o outro, onde esses genes podem vir a funcionar. Isso é feito Através da engenharia genética.Espera-se que, até o final do séc XX. Esse procedimento traga respostas a muitas questões teóricas e práticas da Biologia e ajude a humanidade a melhorar a qualidade de vida. Gregor Mendel é apropriadamente considerado “o pai da Genética”. As suas experiências com ervilheiras de jardim (Pisum sativum), publicadas em 1866, foram realizadas no espaço limitado do jardim de Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 12 um mosteiro onde também era professor substituto. As conclusões tiradas da sua interessante investigação constituem o fundamento da genética actual. Na essência ele concluiu que: Existem unidades de herança Essas unidades se separam e por isso ocorrem em diferentes gerações As unidades responsáveis pela transmissão de duas caracteristicas se transmitem independentemente umas das outras. Por que Mendel foi bem sucedido na descoberta dos princípios básicos da Genética? Mendel não foi o primeiro a realizar experiências de hibridização, porém foi o primeiro a considerar os resultados em termos de características individuais. Sageret, por exemplo, em 1826, tinha estudado a herança de características contrastantes. Outros predecessores de Mendel haviam considerado todos os organismos estudados os quais encorporam um complexo de características e, desse modo, somente poderiam observar as semelhanças e diferenças entre pais e a sua prole. Empregando o método cientifico, Mendel empreendeu os experimentos necessários, contou e classificou as ervilheiras resultantes de cruzamentos, comparou as proporções com modelos matemáticos e formulou hipóteses para explicar essas diferenças. Embora Mendel tivesse visualizado um padrão matemático preciso para a transmissão das unidades hereditárias, ele não conceituou o mecanismo biológico envolvido. (Descreveremos a vida e as exepriências de Mendel no capítulo 5) Em 1866 os resultados obtidos por Mendel foram publicados nas actas da Sociedade de História Natural de Brunn, num trabalho intitulado “Experiências em hibridização de plantas”. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 13 Em 1900 foram descobertos, simultaneamente, por três botânicos: Hugo de Vries, na Holanda, conhecido pelas suas teorias sobre mutação e estudo em milho e primavera (Prímula quinensis); Carl Correns, na Alemanha, que investigou milho, ervilhas e feijão; e Eric von Tshermak-Seysenegg, na Àustria, que trabalhou com várias plantas, inclusive ervilhas. Cada um desses investigadores obteve evidências para os princípios de Mendel, a partir de experiências próprias e independentes. Todos eles encontraram os registos de Mendel enquanto procuravam na literatura trabalhos relacionados e citaram-no nas suas próprias publicações. William Bateson, um inglês, deu a essa Ciência em desenvolvimento o nome de “Genética”, em 1905, a partir de uma palavra grega que significa “gerar”. Além de dar nome à ciencia, Bateson usou a palavra “alelomorfo”, encurtada para “alelo”, para identificar os membros dos pares que controlam as diferentes características alternativas. Por volta do início deste século, um francês Lucien Cuénot, mostrou que os genes controlavam a côr da pelagem no camundongo; um americano W.E. Castle, relacionou os genes ao sexo e à côr da pelagem em mamíferos; e um dinamarquês, W.L. Johannsen estudou a influência da hereditariedade e do ambiente nas plantas. Esses homens e suas observações foram capazes de edificar os princípios básicos da citologia estabelecidos entre 1865 (quando o trabalho de Mendel foi completado) e 1900 (quando este foi descoberto). Uma das razões para o trabalho de Mendel ter sido ignorado por um longo período de tempo (35 anos) foi o facto de a Citologia não estar desenvolvida na altura. Wilhelm Roux, por volta de 1883, postulou que os cromossomas dentro do núcleo da célula eram os portadores dos factores hereditários. Para explicar a mecânica da transmissão dos genes de Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 14 célula para célula, sugeriu que o núcleo deveria conter estruturas invisíveis mantidas em fila ou cadeias que se autoduplicavam quando a célula se dividia. Os constituintes do núcleo que pareciam mais apropriados para carregar os genes eram os cromossomas. Experiências de T. Boveri e Walter Sutton em 1902, trouxeram evidências comprovativas de que um gene é parte de um cromossoma. A teoria do gene como uma unidade discreta de um cromossoma foi desenvolvida por Thomas Morgan e colaboradores em estudos com a mosca da fruta Drosophila melanogaster. Na década de 30, G. Beadle, B. Ephrussi, E. Tatum, J. Haldane e outros forneceram uma base para o entendimento das propriedades funcionais dos genes. O gene foi primeiramente caracterizado como uma unidade de estrutura indivisível, uma unidade de mutação e uma unidade de função com todos estes atributos considerados equivalentes. Pesquisadores então, recordaram aquilo que o médico A. Garrod havia indicado em 1902, que os genes nos seres humanos funcionam através de enzimas. Os geneticistas na década de 40, seguindo os passos de Garrod, procuraram um sistema experimental ideal para investigar aspectos funcionais dos genes. Os procariota (organismos que não possuem o núcleo bem definido e não sofrem meiose) foram escolhidos como material experimental. Os primeiros êxitos obtidos foram a identificação das macromoléculas que carregam a informação genética em bactérias por O. Avery e colaboradores e em vírus por A. Hershey e Martha Chase. As experiências de Avery e colaboradores demonstraram que o ácido desoxirribonucleico (DNA) poderia causar mudança genética (transformação) nas bactérias pneumococus; Hershey e Chase mostraram que o componente acido nucleico (DNA) e não a proteína, é o material genético transportado pelo bacteriófago (vírus que infecta bactérias). Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 15 H. Fraenkel-Conrat e B. Singer mostraram que o ácido ribonucleico (RNA) é o material genético no vírus do mosaico do tabaco. Pelos experimentos de Mendel, e de outros pesquisadores, ficou definido que os genes levam a informação genética de uma geração para outra e, apesar de não ser visto ou delimitado fisicamente, deveriam apresentar as seguintes propriedades: — Replicação — Transcrição: — Tradução Após Mendel, os genes foram definidos quimicamente e foram conhecidos pelo que realizam na síntese protéica e não a nível de expressão fenotípica. NB. Mendel não foi o primeiro a realizar as experiências de hibridização, porém foi o primeniro a considerar os resultados em termos de características individuais. Foto: Padre Gregor Mendel, Pai da Genética. Fonte: Genética da População. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 16 Empregando o método científico, Mendel empreendeu as experiências necessárias, contou e classificou as ervilhas resultantes de cruzamentos, comparou as proporções com modelos matemáticos e formulou hipóteses para explicar essas diferenças. Embora Mendel tivesse visualizado um padrão matemático preciso para a transmissão das unidades hereditárias, ele não conceituou o mecanismo biológico envolvido.Todavia, com base nas suas experiências preliminares e hipóteses, ele predisse e, subsequentemente, verificou seus predições com os resultados de cruzamentos posteriores. Objectivo e campo de aplicação O objectivo fundamental da genética é resolver problemas da sociedadae, descobrir curas de doenças a partir do conhecimento do genoma humano e animal dentro da engenharia genética, melhorar a producao no campo agrícola, etc. A genética foi, é e sempre será uma ciência acadêmica, desenvolvida a partir de pesquisas feitas em laboratórios e áreas experimentais do mundo inteiro. Evidentemente, ela é encontrada em livros e revistas científicas, os quais são acessíveis aos que frequentam os meios acadêmicos. Seu desenvolvimento gerou avanços formidáveis nas áreas de melhoramento genético e medicina, dentre muitas outras, proporcionando mais alimento e saúde para sociedade. Contido de forma diferente de muitas áreas do conhecimento humano, a genética há vários anos não é uma ciência apenas acadêmica, estando presente, pode-se dizer no nosso dia-a-dia. A genética tem-se tornado uma componente indispensável em praticamente toda a investigação cientifica, assumindo uma posição na biologia e na Medicina. De modo muito simples, a genética surge como transferência de informação entre vários níveis diferentes e tem ganho terreno de forma veloz e como nenhuma outra disciplina científica, além da sua compreensão ser essencial, a genética toca a humanidade em aspectos muito diversos. De facto, as questões na Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 17 genética tendem a emergir diariamente nas nossas vidas e nenhuma pessoa fica indiferente às suas descobertas. A introspecção acerca da genética tem afectado radicalmente a forma como o Homem vê o mundo, nomeadamente a forma como nós vemos a nós próprios em relação a outros organismos. Sumário A genética é definida como ciência que estuda o processo de transmissão de características dos pais para os filhos. Gregor Mendel (1822-1884) é considerado o pai desta ciência. Realizou suas experiências com ervilheiras da espécie Psum sativum, publicados em 1866. Empregando o método científico, Mendel empreendeu as experiências necessárias, contou e classificou as ervilhas resultantes de cruzamentos, comparou as proporções com modelos matemáticos e formulou hipóteses para explicar essas diferenças. A genética foi é e sempre será uma ciência acadêmica, desenvolvida a partir de pesquisas feitas em laboratórios e áreas experimentais do mundo inteiro. Seu desenvolvimento gerou avanços formidáveis nas áreas de melhoramento genético e medicina, dentre muitas outras, proporcionando mais alimento e saúde para sociedade. A genética tem-se tornado uma componente indispensável em praticamente toda a investigação cientifica, assumindo uma posição na biologia e na Medicina. De modo muito simples, a genética surge como transferência de informação entre vários níveis diferentes e tem ganho terreno de forma veloz e como nenhuma outra disciplina científica, além da sua compreensão ser essencial, a genética toca a humanidade em aspectos muito diversos. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 18 Exercícios 1. Defina a genética. R: A genética é definida como ciência que estuda o processo de transmissão de características dos pais para os filhos. 2. Porque é que Gregor Mendel é considerado o pai da genética? R: Gregor Mendel (1822-1884) é considerado o pai desta ciência. Realizou suas experiências com ervilheiras da espécie Psum sativum, publicados em 1866. 3. A genética foi é e sempre será uma ciência acadêmica, desenvolvida a partir de pesquisas feitas em laboratórios e áreas experimentais do mundo inteiro. Comente. R: Evidentemente, ela é encontrada em livros e revistas dientíficas, os quais são acessíveis aos que frequentam os meios acadêmicos. Seu desenvolvimento gerou avanços formidáveis nas áreas de melhoramento genético e medicina, dentre muitas outras, proporcionando mais alimento e saúde para sociedade. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 19 Periodos da evolução da genética Genética Mendeliana ou Clássica Primeira fase da Genética Humana: inicia logo depois da redescoberta das leis de Mendel. Única abordagem possível até 1959. a) Contribuições desse Período: Ao longo das primeiras décadas do século XX vários fenótipos humanos, na grande maioria distúrbios raros, foram identificados como sendo heranças mendelianas. A raridade dos fenótipos estudados e a impossibilidade de interferir nas doenças identificadas como hereditárias fez com que a Genética Humana tivesse pouco impacto sobre a prática médica, nesse período. Os trabalhos dessa época foram essencialmente descritivos, e tinham por objectivo registrar, do mais completo possível, as características encontradas nas síndromes genéticas. Faltava, porém, uma compreensão clara de como os fenótipos se manifestavam - não havia metodologia adequada para desvendar as ligações existentes entre os genes presentes nas famílias e as alterações fenotípicas observadas nos indivíduos. O único método de investigação disponível na primeira metade do século XX era a construção e análise de heredogramas que dependia exclusivamente da localização de famílias adequadas aos estudos genéticos. O desenvolvimento de novas técnicas para análise de cromossomas e de DNA não tornou a análise de heredogramas desnecessária ou ultrapassada. O estudo de famílias e a representação dos dados referentes aos indivíduos estudados através de símbolos padronizados (construção de heredograma) continuam sendo recursos indispensáveis Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 20 para o estabelecimento do padrão de herança dos fenótipos e para a identificação de genes. Um exemplo bem ilustrativo desse período é a primeira herança recessiva identificada na nossa espécie. Em 1902, Archibald Garrod e William Bateson identificam a alcaptonúria como uma característica com herança mendeliana do tipo recessivo; inicia-se o estudo dos erros inatos de metabolismo. b) Citogenética Clássica: Somente no final da década de 50 foi possível estudar de modo eficiente os cromossomos humanos. Até 1956 havia uma dúvida muito grande sobre o número de cromossomas da nossa espécie (seria 48 ou 46). Para se estabelecer o número de cromossomas presentes em uma célula é necessário que, durante a preparação da amostra, a célula seja rompida e os cromossomas se espalhem sem pela lâmina sem. Isso era praticamente impossível antes de 1956 - todas as preparações resultavam em cromossomas sobrepostos. Um procedimento extremamente simples, o tratamento das células com uma solução hipotônica (choque hipotônico), permitiu a observação inequívoca dos cromossomas humanos (em 1956 Tijo e Levan publicam que células pulmonares de embrião humano têm 46 cromossomas). A partir dessa mudança nos métodos de preparação, a citogenética humana inicia seu desenvolvimento e torna-se uma das áreas de pesquisa predominantes durante a década de 70. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 21 Imagem: Aspecto geral de Cromossomos Metafásicos utilizados para Análise Cariotípica. Fonte: Genética da População. Em 1959,aparece a primeira publicação demonstrando que um cromossoma adicional estava presente nos indivíduos com Síndrome de Down. A partir dessa descoberta, as pesquisas se direccionam para a análise de cariótipos de indivíduos portadores de distúrbios de desenvolvimento (retardo mental, malformações congênitas ou outras anomalias de desenvolvimento). A identificação da presença de erro cromossômico em uma anomalia relativa comum como a síndrome de Down (frequência pode ser de 1/500 a 1/800 nascimentos) embora tenha aumentado a área de acção da Genética Clínica, não mudou muito o tipo de actividade dos profissionais dessa área. As doenças genéticas continuavam sendo distúrbios sem possibilidade de prevenção ou tratamento. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 22 c) Genética Molecular O termo Genética Molecular designa uma área muito ampla de actividade de pesquisa e prestação de serviços, que tem como principal característica trabalhar directamente com os ácidos nucléicos (DNA e RNA). Fica excluída dessa definição, por exemplo, testes que avaliam actividade de enzimas (Genética Bioquímica) e a maioria das análises cromossômicas (citogenética). A Genética Molecular se desenvolveu a partir da década de 70 principalmente através de pesquisas com microrganismos. Porém, no início da década de 80 as primeiras aplicações com genes humanos começaram a ser divulgadas. Em 1982 foi produzido o primeiro camundongo geneticamente modificado pela introdução de um gene humano (o gene do hormônio de crescimento humano). O gene humano que codifica para a proteína hormônio de crescimento foi transferido para o núcleo de células de um embrião de camundongo. Esse gene apresentou expressão correta e a produção do hormônio de crescimento humano originou animais normais porém bem maiores que os irmãos geneticamente não modificados. A produção desses camundongos foi uma demonstração importante de que era possível interferir de modo muito específico no funcionamento de células de mamíferos, sem desorganizar o funcionamento geral do organismo. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 23 Imagem: Camundongos irmãos de ninhada, osmaiores são trans gênicos para hormônio de crescimento e os menores não foramgeneticamente modificados. Fonte: Fonte: Genética da População. Em 1991, foi anunciado o nascimento do primeiro touro transgênico que transmitiu para sua progênie feminina a capacidade de produzir leite enriquecido com lactoferrina humana - proteína produzida no leite e, em baixa concentrações, nos granulócitos (liberada durante infecções bacterianas). A produção de proteínas humanas raras em animais, principalmente leite bovino, é hoje uma área de pesquisa importante, com grande potencial de aplicação clínica e de grande interesse econômico, principalmente nos casos de produção de proteínas que tenham aplicação em doenças comuns. São os camundongos, porém, os animais com maior utilização em pesquisas sobre o funcionamento de genes humanos. Camundongos transgênicos portadores de genes associados á doenças humanas são ferramentas de trabalho para vários tipos de investigação (principalmente para uma melhor compreensão da fisopatologia e desenvolvimento de novas terapias). d) Genética Bioquímica Os erros inatos de metabolismo passam a receber grande atenção a partir das pesquisas realizadas com fenilcetonúricos, no fim da década de 50 e início da década de 60. Pela primeira vez uma Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 24 doença genética teve tratamento específico eficiente e a idéia de que alguns erros inatos de metabolismo poderiam ter seus efeitos minimizados, ou mesmo eliminados, fez com que surgisse grande interesse pela “Genética Bioquímica”. O sucesso no tratamento da fenilcetonúria aumentou a importância da identificação das rotas metabólicas que se encontram alteradas nas doenças genéticas, estimulou as pesquisas para detecção dos defeitos bioquímicos associados às sindromes monogênicas. Esses esforços resultaram em uma melhor compreensão da fisiopatologia de vários distúrbios genéticos e no desenvolvimento de testes diagnósticos (pós-natal e pré-natal). Em 1963 foi apresentado o primeiro teste adaptado para triagem neonatal (baixo custo, facilidade de execução capaz detectar excesso de fenilalanina no sangue. O teste desenvolvido para a identificação de crianças com fenilcetonúria tornou-se modelo para as triagens neonatais. Embora seja uma doença rara na maioria das populações humanas (a frequência pode variar de 1/5.000 a 1/200.000), o bio-ensaio desenvolvido para detectar os indivíduos que serão afectados, por ser extremamente rápido, simples e barato, apresenta uma relação custo benefício fantástica. Se for detectada apenas uma criança afectada para cada 100.000 testes realizados, ainda assim o benefício social proveniente dessa detecção será elevado, considerando que o diagnóstico precoce permite que o indivíduo com fenilcetonúria tenha desenvolvimento normal, através de emprego de dieta com níveis controlados de fenilalanina. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 25 Sumário A genética mendeliana ou clássica, primeira fase da genética humana: inicia logo depois da redescoberta das leis de Mendel. Ao longo das primeiras décadas do século XX vários fenótipos humanos, na grande maioria distúrbios raros, foram identificados como sendo heranças mendelianas. O desenvolvimento de novas técnicas para análise de cromossomas e de DNA não tornou a análise de heredogramas desnecessária ou ultrapassada. Na citogenética clássica, somente no final da década de 50 foi possível estudar de modo eficiente os cromossomos humanos. Um procedimento extremamente simples, o tratamento das células com uma solução hipotônica, permitiu a observação inequívoca dos cromossomas humanos. A genética molecular se desenvolveu a partir da década de 70 principalmente através de pesquisas com microrganismos. Porém, no início da década de 80 as primeiras aplicações com genes humanos começaram a ser divulgadas. Em 1991, foi anunciado o nascimento do primeiro touro transgênico que transmitiu para sua progênie feminina a capacidade de produzir leite enriquecido com lactoferrina humana. Os erros inatos de metabolismo passam a receber grande atenção a partir das pesquisas realizadas com fenilcetonúricos, no fim da década de 50 e início da década de 60. Pela primeira vez uma doença genética teve tratamento específico eficiente e a idéia de que alguns erros inatos de metabolismo poderiam ter seus efeitos minimizados, ou mesmo eliminados, fez com que surgisse grande interesse pela genética bioquímica. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 26 Exercícios 1. A primeira fase da genética humana: inicia logo depois da redescoberta das leis de Mendel. Única abordagem possível até 1959. Quais são as contribuições desse período? R: Ao longo das primeiras décadas do século XX vários fenótipos humanos, na grande maioria distúrbios raros, foram identificados como sendo heranças mendelianas. A raridade dos fenótipos estudados e a impossibilidade de interferir nas doenças identificadas como hereditáriasfez com que a genética humana tivesse pouco impacto sobre a prática médica, nesse período. 2. Qual foi a Importância do desenvolvimento de novas técnicas para análise de cromossomas e de DNA? R: O desenvolvimento de novas técnicas para análise de cromossomas e de DNA não tornou a análise de heredogramas desnecessária ou ultrapassada. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 27 Conceitos Básicos usados na Genética FENÓTIPO – É o conjunto das características internas e externas que um organismo apresenta (particularidades bioquímicas micro e macroscópicas, carácteres físicos como a forma, o tamanho e côr, a composição química, a base para alguns comportamentos) resultantes da expressão do genótipo sob influência do ambiente. A expressão do genótipo (o fenótipo) depende das condições ambientais GENÓTIPO é o conjunto de PLASMON (genes fora do núcleo ou região nuclear) e GENES CROMOSSÓMICOS (ou os que estão no núcleo ou região nuclear). É o complexo de genes que o organismo recebe por parte de cada um dos seus progenitores ou é a constituição genética de um organismo. Mediante a mutação o genótipo pode adquirir novos genes mutantes que os seus progenitores não possuíam. A acção dos genes sempre está ligada a condições intracelulares e do meio ambiente no entanto, as variações desta acção não podem sair dos limites acessíveis para um gene determinado e o genótipo em geral. Isto significa que, por exemplo, no caso de altura de uma planta ser determinada pelo seu genótipo, as condições ambientais como disponibilidade de àgua e nutrientes do solo influenciam no crescimento da planta mas ela não crescerá ilimitadamente mas sim dentro dos limites determinados pelo seu genótipo. GENE — O gene é a unidade de herança. Cada gene é uma sequência de nucleótidos que codifica uma sequência de aminoácidos num polipeptídeo determinado. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 28 Existem várias definições para este mesmo conceito dependendo da natureza dessa mesma definição. Pode ser definido, por exemplo, como um determinador hereditário que especifica uma função biológica. Ou pode ainda ser definido como uma porção de DNA herdável, recombinável e mutável. Embora o gene seja definido como uma sequência de nucleótidos necessária para a síntese de um polipeptídeo, há no entanto, ao longo dos cromossomas, algumas sequências especializadas capazes de ser transcritas, mas que não contêm informação para a síntese de proteínas. Por exemplo, as sequências que produzem os diferentes tipos de RNA transportadores e ribossómicos. Um gene é uma entidade estável mas está sujeito a mudanças ocasionais na sua sequência; tais mudanças chamam-se mutações. (serão descritas no capitulo 4) Quando se produz uma mutação a nova forma do gene se herda de uma forma estável, justamente como a forma precedente. O organismo que leva o gene alterado e o próprio gene se chamam mutantes e a forma não alterada do gene se chama selvagem.O termo «tipo selvagem» pode utilizar-se para descrever tanto o fenótipo como o genótipo visto que a maioria das mutações danificam a função de uma proteina que terá as suas implicações no funcionamento do organismo. O efeito fenotipico de uma mutação pode variar desde o nulo (a mutação não causa um efeito) até um efeito letal (causa a morte da célula ou organismo que a transporta). A maior parte da informação genética dos eucariota se encontra no núcleo mas alguns organelos como mitocôndrias e cloroplastos possuem informação genética. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 29 As bactérias possuem também informação genética fora do «cromossoma principal». Esta informação genética ou genes situados fora do núcleo ou da região nuclear são denominados PLASMAGENES OU PLASMÍDEOS e o conjunto de todos plasmagenes é denominado PLASMON. ALELO – Forma alternativa de um gene. Os alelos situam-se em posição equivalente de um par de homólogos e determinam o mesmo tipo de característica. LOCUS GÉNICO – localização do gene no cromossoma. (plural locci) Figura: Representação de genes alelos Cromossoma: Molécula de DNA que apresenta vários genes. O número de cromossomas varia de espécie para espécie. CROMATINA – No interior do núcleo fica a cromotina. Quimicamewnte a cromatina é uma molécula formada por partes iquis (em peso) de DNA e de proteínas que se associam para formar uma fibra; as principais proteínas que constituem a cromatina são as histonas mas além delas a cromatina contém uma variedade de outras proteínas. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 30 Cromossomas – Nos eucariota, no momento da divisão celular, particularmente na metáfase, as fibras de cromatina se enrolam ao longo de todo o seu comprimento e formam corpúsculos visíveis que são os cromossomas. a. Homem: 46 cromossomas; b. Cão: 76 cromossomas; c. Drosófila: 8 cromossomas; d. Arroz: 24 cromossomas. 2. Cromossomas Homólogos: Um enviado pela mãe e outro pelo pai. Apresentam os mesmos genes nos mesmo locu gênicos. Encontrado em indivíduos 2n (diplóides). CROMOSSOMA HOMÓLOGO – Cada membro de um par de cromossomas do mesmo tamanho, mesma forma e posição idêntica de genes. Numa célula diplóide, cada homólogo provém de um dos progenitores Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 31 Imagens: Cromossomos Autossômicos e Sexuais. Fonte: Genética Humana. 3. Genótipo: Conjunto de genes que um indivíduo possui. Não pode ser observado. Representado por letras: BB, aa, Dd, etc. 4. Fenótipo: Características manifestadas por uma indivíduo.Determinado pela genótipo Muitas vezes o fenótipo resulta da interação entre genótipo e ambiente. Exemplo: pessoa branca + sol = pessoa morena. 5. Homozigótico: Seres diplóides apresentam duas cópias de cada gene. Cada um em um cromossomo homólogo. O indivíduo homozigótico apresenta dois alelos de um gene iguais, sejam eles genes dominantes ou recessivos. Exemplo: AA, bb, ZZ, pp. 6. Heterozigótico: Indivíduos que apresentam dois alelos diferentes de um gene são chamados heterozigótico. Exemplo: Aa, Bb, Pp, IA IB, Zz. 7. Dominância: Alelos que se expressam da mesma forma nas condições homozigótica e heterozigótica são chamados dominantes. Exemplo: Indivíduos RR e Rr para o factor Rh são Rh+. 8. Recessivo: Alelos que não se expressam na condição heterozigótica são denominados recessivos. Exemplo: o alelo r, uma vez que um indivíduo rr é Rh-. 9. Dominância Completa: Quando a presença do alelo dominante, no indivíduo heterozigótico, encobre totalmente o efeito do alelo Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 32 recessivo fala-se em dominância completa. Exemplo: Grupo Rh, pessoas RR e Rr apresentam o mesmo fenótipo, Rh+. 10. Dominância Incompleta: Quando o indivíduo heterozigótico apresenta fenótipo intermediário ao dos homozigóticos, fala-se em dominância incompleta. Exemplo: Flor boca de leão. Imagem: Flor boca de leão. Fonte: Internet 11. Co-dominância: Quando indivíduos heterozigóticos expressam os dois fenótipos simultaneamente fala-se em co-dominância. A co- dominância é um tipo de interação entre alelos de um gene onde não existe relação de dominância, o indivíduo heterozigótico que apresenta dois genes funcionais, produz os dois fenótipo, istoé, ambos os alelos do gene em um indivíduo diplóide se expressam. Exemplo: O tipo sanguíneo humano, apresenta 3 alelos IA, IB e i. Portanto apresenta 6 genótipos diferentes que originam 4 fenótipos diferentes: o tipo A, B, AB e O. IA/IA; IA/i → Tipo A IB/IB; IB/i →Tipo B IA/IB → Tipo AB i/i → Tipo O Reparar que quando o indivíduo for heterozigoto (IA/IB), são expressos os dois antígenos de membrana. 12. Sobredominância: Existe evidência que indica que em alguns loci a condição heterozigótica, medida quantitativamente, pode Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 33 produzir um fenótipo superior ao fenótipo do homozigoto de maior valor. Por exemplo: Aa > AA ou aa. Em Drosophila, por ejemplo, o alelo responsável pelo fenótipo de olhos bancos, quando se encontra em condição heterozigótica, condiciona a produção de certos pigmentos fluorescentes em maior quantidade que em qualquer dos homozigotos. Alelos Múltiplos (Polialelia): são consequências de mutações ocorridas em um locus gênicus, originando vários alelos que determinam variantes numa determinada característica. Exemplos de polialelia: Sistema de sangue ABO; Sistema de sangue Rh; Cor do pêlo de chinchilas Sumário Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 34 O número de cromossomas varia de espécie para espécie. Os cromossomas homólogos: um enviado pela mãe e outro pelo pai. Apresentam os mesmos genes nos mesmo locu gênicos. Encontrado em indivíduos 2n (diplóides). Os conceitos usados em genética são: genótipo, fenótipo, homozigótico, heterozigótico, dominância, recessivo, dominância completa, dominância incompleta. a co- dominância é um tipo de interação entre alelos de um gene. Na co-dominância não existe relação de dominância, o indivíduo heterozigótico que apresenta dois genes funcionais, produz os dois fenótipo. Sobredominância: existe evidência que indica que em alguns loci a condição heterozigótica, medida quantitativamente, pode produzir um fenótipo superior ao fenótipo do homozigoto de maior valor. Alelos Múltiplos (polialelia): são consequências de mutações ocorridas em um locus gênicus, originando vários alelos que determinam variantes numa determinada característica. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 35 Exercícios 1. Cromossoma: Molécula de DNA que apresenta vários genes. O número de cromossomos varia de espécie para espécie. Dê exemplos. R: Homem: 46 cromossomas; Cão: 76 cromossomas; Drosófila: 8 cromossomas; Arroz: 24 cromossomas. 2. Qual é a diferenca entre: genótipo e fenótipo? R: Genótipo: Conjunto de genes que um indivíduo possui. Não pode ser observado. Representado por letras: BB, aa, Dd, etc. Enquanto que Fenótipo: Características manifestadas por uma indivíduo.Determinado pela genótipo Muitas vezes o fenótipo resulta da interação entre genótipo e ambiente. Exemplo: pessoa branca + sol = pessoa morena. 3. Explique o que significa alelos Múltiplos? R: São consequências de mutações ocorridas em um locus gênicus, originando vários alelos que determinam variantes numa determinada característica. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 36 Unidade 02 :Base Molecular da Hereditariedade Introdução Prezado estudante, seja bem-vindo ao estudo de base celular da hereditariedade. A base celular da hereditariedade estuda o material genético dos procariotas e eucariotas, os epissomas e plasmideos assim como a Mitose e meiose. Portanto, está convidado para uma discussão sobre a base celular da hereditariedade Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Conhecer o material genético dos eucariotas e procariotas; Definir os conceitos de epissoma e plasmideo; Descrever a as fases da Mitose e meiose; Compreender a essência do material genetico; Caracterizar os aspectos mais importantes da mitose e meiose. Definir o conceito de cromossoma; Explicar a estrutura de cromossoma; Descrever a estrutura de cromossoma; Fazer esquema da estrutura do cromossoma; Relacionar a estrutura com a função de cromossoma O núcleo celular A descoberta do núcleo O pesquisador escocês Robert Brown (1773-1858) é considerado o descobridor do núcleo celular. Embora muitos citologistas anteriores a ele já tivessem observado núcleos, não haviam compreendido a Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 37 enorme importância dessas para a vida das células. O grande mérito de Brown foi justamente reconhecer o núcleo como componente fundamental das células. O nome que ele escolheu expressa essa convicção: a palavra «núcleo» vem do grego nux que significa semente. Brown imaginou que o núcleo fosse a semente da célula, por anologia aos frutos. Hoje sabemos que o núcleo é o centro de controle das actividades celulares e o «arquivo» das informações hereditárias, que a celula transmite às suas filhas ao se reproduzir. Células eucarioticas e procariotas O núcleo está presente nas células eucariontes, mas ausente nas procariontes. Na célula eucarionte, o material hereditário está separado do citoplasma por uma membrana- a carioteca-, enquanto na célula procarionte o material hereditário se encontra mergulhado directamente no líquido citoplasmático. Variações quanto ao núcleo celular Geralmente, cada célula apresenta um único nucleo, mas existem aquelas que possuem mais de um. Protozoários ciliados, por exemplo, têm dois núcleos: um de pequeno tamanho, o micronúcleo, e outro maior, o macronúcleo. Algumas células podem ser multinucleadas como é o caso das fibras musculares estriadas, as longas células de nossos músculos esqueleticos. Outras não apresentam nucleos na fase adulta. Uma hemacia do sangue dos mamiferos, por exemplo, tem núcleo ainda jovem e está na medula dos ossos, onde se forma, mas o perde pouco antes de entrar na corrente sanguinea. A importância do nucleo celular foi compravada por experimentos de merotomia (do grego meros, parte, e tomia, cortar amputar), executados pela primeira vez em 1893 pelo citologista francês Eduard Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 38 Girard Balbian.usando agulhas finissimas, Balbian cortou a célula do protozoário ciliado Stentor em várias partes, sendo que algumas ficavam com núcleo e outras não. As partes anucleadas degeneravam, enquanto as nucleadas continuavam vivas, crescendo e se reproduzindo. A ameba de água doce também pode ser empregada em experimentos de merotomia. É possivel cortar uma ameba em duas partes, de modo que o núcleo fique em uma delas. A nucleada geralmente sobrevive, emquanto a parte sem núcleo morre. Se um núcleo retirado de outra ameba for implantado na parte citoplasmática anucleada, esta readquire sua actividade e sobrevive, podendo inclusive se reproduzir. Os experimentos de merotomia demonstram claramente que a sobrevivencia e a reprodução das céluluas dependem da presença do núcleo. Importantes estudos sobre o papel do núcleo na determinação das caracteristicas da célula foram realizados na alga verde unicelular Acetabularia. A célula dessa alga lembra uma miniscula planta de girassol: ela possui um «pé » , através do qual se fixa ao substrato, e um pedúnculo , que sustenta um «chapéu». O enorme tamanho da Acetabularia, que pode atingir 5 cm de comprimento,permite que ela seja facilmente cortada e que pedaços de uma alga sejam enxertados em outra. Começo da década de 1930, o biologo alemão Joachim Hämmerling cortou o pé de células da espécie Acetabularia crenulada, enxertando-os em pedunculos de uma outra espécie, A. Mediterranea, das quais os pés e os chapeushaviam sido previamentes removidos. Os pedúnculos que receberam implante regeneraram chapéus com uma forma intermédiária entre os das duas espécies. No entanto, quando esses chapeus foram removidos, regeneraram-se chapeus da espécie doadora do pé , no caso, A. Crenulata. Apartir desses experimentos, Hammerling concluiu que o tipo de chapeu que regenera na Acetabularia tem a ver com substâncias acumuladas no pendunculo. Essas substâncias, chamadas Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 39 determinantes, são originalmente produzidas no núcleo celular, localizadas no pé. No experimento, o chapéu inicialmente regenerado era uma mistura entre os determinantes tipo mediterranea, já existente no pedunculo , e tipo crenulata, produzido pelo núcleo do pé enxertado. Na esgunda regeneração, as substâncias determinantes do tipo mediterranea já haviam sido consumidas, existindo apenas determinantes do tipo crenulata, produzidos pelo núcleo do pé enxertado. Os resultados dos experimentos de merotomia demonstraram claramente que as substâncias necessárias ao funcionamento do citoplasma são produzidas pelo núcleo celular. Hoje sabemos que isso ocorre porque é no núcleo que ficam alojadas as informações genéticas, ou seja as receitas que a célula utiliza para produzir as proteinas que controlam seu funcionamento. Os componentes do núcleo O núcleo das células que estão em processo de divisão apresenta um limite b bem definido, devido à presença da carioteca ou membrana nuclear, visivel apenas ao microscopio electronico. A maior parte do volume nuclear é ocupada por uma massa filamentosa denominada cromatina.Existem ainda um ou mais corpos densos (nucleolos) e um liquido viscoso (cariolinfa ou nucleoplasma). A carioteca A carioteca ( do grego karyon,núcleo,e theke, envólucro, caixa) é um envoltório formado por duas membranas lipoproteicas cuja organização molecular é semelhante à das demais membranas celulares.entre essas duas membranas existe um estreito espaço, chamado cavidade perinuclear. A face externa da carioteca se comunica com o reticulo endoplasmático e, muitas vezes, apresenta ribossomas aderidas à sua Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 40 superficie. O espaço entre as duas membranas nucleares é uma continuição do espaço interno do reticulo endoplasmático. Poros da carioteca A carioteca é perfurada por milhares de poros, através dos quais determinadas substâncias entram e saem do núcleo. Os poros nucleares são mais do que simples aberturas. Em cada poro existe uma complexa estrutura protéica que funciona como uma válvula, abrindo- se para dar passagem a determinadas moléculas e fechando-se em seguida. Dessa forma, a carioteca pode controlar a entrada e a saida de substância. Na face interna da carioteca encontra-se a lâmina nuclear, uma rede de proteinas que lhe dá sustentação. A lâmina nuclear participa da fragmentação e da reconstituição da carioteca, fenómenos que ocorrem durante a divisão celular. A Cromatina A cromatina ( do grego chromatos, cor) é um conjunto de fios , cada um deles formado por uma longa molécula de DNA associada a moléculas de histonas, um tipo especial de proteinas. Esses fios são os cromossomas. Quando se observam núcleos corados ao microscópio óptico, nota-se que certas regiões da cromatina se coram intensamente do que outras. Os antigos citologistas já haviam observado esse facto e imaginado, acertadamente, que as regiões mais coradas correspondiam a porções dos cromossomas mais enroladas, ou mais condensadas do que outras. Heterocromatina e eucromatina Para assinalar diferença entre os tipos de cromatina, foi criado o termo heterocromatina (do grego heteros, diferente), que se refere à cromatina mais densamente enrolada. O restante do material cromossómico, de consistência mais frouxa, foi denominado eucromatina (do grego eu, verdadeiro). Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 41 OS Nucleolos Nucléolos são corpos densos e arrendondados, constituidos or proteinas, grãos de ribonucleoproteinas (RNA associado a proteinas) e um pouco de DNA. Função do nucleolo O nucleolo é o local onde são fabricados os ribossomas. Nele são produzidas moléculas de RNA ribossomico, que associam a proteinas para formar as subunidades que constituem os ribossomas. Essas subunidades ficam acumuladas no nucleolo, onde «amadurecem». Quando «maduras», ou prontas, as subunidades ribossomicas saem para o citoplasma e se tornam activas na síntese de proteinas. O DNA presente em nucleolo faz parte de um cromossoma denominado cromossoma organizador do nucleolo.A região específica do cromossoma, à qual o nucleolo está associado, é chamada região organizadora do nucleolo. Material Genetico dos Procariotas e Eucariótas 2.1. Cromossomas dos Procariontes: Os cromossomas das bactérias podem ser circulares ou lineares. Algumas bactérias possuem apenas um cromossoma, enquanto outras têm vários. O DNA bacteriano muitas vezes, pode tomar a forma de plasmídeos, que são moléculas circulares duplas de DNA que estão separadas do DNA cromossómico. Geralmente, ocorrem em bactérias e raramente, em organismos eucariontes, como é o caso de anel de 2- micra em Saccharomyces cereviesiae-levedura do pão e cerveja. O seu tamanho varia entre um e duzentos e cinquenta kbp (milhares de pares de bases). Existem entre uma, para grandes plasmídeos, até cinquenta cópias de um mesmo plasmídeo numa única célula. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 42 Cromossomas dos Eucariontes: Os eucariontes possuem múltiplos cromossomas lineares dentro do núcleo celular. Cada cromossoma tem um centrômero e aquando da divisão celular, apresenta dois braços (que representam cópias idênticas) saindo do centrômero, os cromatídeos ou cromátides-irmãs. As extremidades dos cromossomas possuem estruturas especiais chamadas telómeros. A replicação do DNA pode iniciar-se em vários pontos do cromossoma. Estrutura Dos Cromossomas O cromossoma metafásico típico é formado por dois cromatídeos irmãos, um deles oriundo do processo de duplicação da cromatina. Os cromatídeos se encontram presos por um região delgada, chamada constrição primária ou centrômero. O centrômero divide o cromatídeos em dois braços cromossômicos, ou pode estar localizado na região terminal de um braço, formando um cromossoma com um braço apenas. Em alguns cromossomas pode ser visualizada ainda uma constrição secundária, outra região de condensação diferenciada no cromossoma. O segmento seccionado pela constrição secundária e anterior ao telômero (extremidade dos braços cromossômicas) é conhecido como satélite. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 43 (b) O primeiro envolve o empacotamento do DNA como uma espiral em nucleossomas de aproximadamente de 10 nm de diâmetro. Este passo envolve um octâmero de histonas. (c) O segundo envolve a estrutura de solenóide, um segundo nível de espiralamento, produzindo uma fibra de 30 nm. (d) O terceiro são os "loops" de solenóides, ligados a um esqueletocentral protéico. Esta estrutura tem aproximadamente 300 nm de diâmetro. (e) O quarto são "loops" do esqueleto protéico, formando uma estrutura gigante, super enrolada, com 700 nm. (f) Por fim, na sua máxima condensação, o cromatideo cromossômico conta com cerca de 1400 nm de diâmetro. Os telômeros ou telómeros (do grego telos, final, e meros, parte) são estruturas constituídas por fileiras repetitivas de proteínas e DNA não codificante que formam as extremidades dos cromossomas. Sua principal função é manter a estabilidade estrutural do cromossoma. Os telómeros estão presentes principalmente em células eucarióticas, visto que o DNA das células procarióticas formam cadeias circulares, logo não têm locais de terminação, embora existam exceções: existem bactérias procarióticas com DNA linear e que possuem telómeros. Cada vez que a célula se divide, os telómeros são ligeiramente encurtados. Como estes não se regeneram, chega a um ponto em que, de tão encurtados, não permitem mais a correcta replicação dos Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 44 cromossomas e a célula perde completa ou parcialmente a sua capacidade de divisão. O encurtamento dos telómeros também pode eliminar certos genes que são indispensáveis à sobrevivência da célula ou silenciar genes próximos. Como o processo de renovação do nosso corpo não tolera a morte das células antes da divisão correcta das mesmas, o organismo tende a morrer num curto prazo de tempo no momento em que seus telómeros se esgotam. Numa célula eucariótica maior parte de DNA está empacotado na cromatina. O DNA é empacotado na cromatina para diminuir o tamanho da molécula (de DNA), e para permitir maior controle por parte da célula de tais genes. Grande parte da cromatina é localizada na periferia do núcleo, possivelmente pelo facto de uma das principais proteínas associadas com a heterocromatina ligar-se a uma proteína da membrana nuclear interna. A cromatina é classificada em dois tipos: Eucromatina: consiste em DNA activo, ou seja, que pode-se expressar como proteinas e enzimas. Regiões nas quais a cromatina encontra-se desespiralada na interfase constituem a eucromatina. Nestas áreas, os nucleossomas afastam-se uns dos outros, expondo os genes que podem, assim, "trabalhar" normalmente, isto é, ser transcritos. Na divisão celular, as regiões de eucromatina também se condensam, juntamente com a heterocromatina dando um aspecto uniforme, de bastões cromossómicos à cromatina como um todo; Heterocromatina: consiste em DNA inactivo e que parece ter funções estruturais durante o ciclo celular. A heterocromatina é a parte da cromatina condensada ou inactiva. Quando os cromómeros são tratados com substâncias químicas que reagem com o DNA, como o corante de Feulgen, são reveladas visualmente regiões distintas com características de coloração diferentes. As regiões densamente coradas são chamadas de Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 45 heterocromatina, e as regiões pouco coradas são chamadas de eucromatina. A distinção reflecte o grau de compactação ou helicoidização do DNA no cromossoma. A heterocromatina pode ser constitutiva ou facultativa. Podem ainda distinguir-se dois tipos de heterocromatina: Heterocromatina Constitutiva: que nunca se expressa como proteínas e que se encontra localizada à volta do centrómero (contém geralmente sequências repetitivas); Heterocromatina Facultativa: que por vezes, é transcrita em outros tipos celulares, consequentemente a sua quantidade varia dependendo da actividade transcricional da célula. Cromossomas da célula interfásica O periodo de vida da célula em que ela não está em processo de divisão é denominado interfase.A cromatina da célula interfásica, é uma massa de filamentos chamados cromossomas. se pudéssemos separ, um por um, os cromossomas de uma célula interfásica humana, obteriamos 46 filamentos, longos e finos. Colocados em linhas, os cromossomas humanos formariam um fio de 5 cm de comprimento, invisivel ao microscópio óptico, uma vez que sua espessura não ultrapassa 30 nm. Constituição Química E Arquitetura Dos Cromossomas O primeiro constituinte cromossomico a ser identificado foi o ácido desoxirribonucleico, o DNA. Em 1924, o pesquisador alemão Robert J. Feulgen desenvou uma técnica especial de coloração que permitu demonstrar que o DNA é Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 46 um dos principais componentes dos cromossomas.Alguns anos mais tarde, descobriu –se que a cromatina também é rica em proteinas denominadas histonas. Uma vez identificados os dois constituintes fundamentais dos cromossomas, DNA e histonas, os cientistas passaram ao problema seguinte: de que maneira as moléculas de DNA e histonas se associam para formar os filamentos cromossomicos? Durante anos, esse foi um tema muito discutido no meio científico. Muitos modelos foram propostos na tentativa de explicar como seria a arquitetura molecular dos cromossomas.Hoje, sabe-se que cada cromossoma é constituido por única molécula de DNA, disposta ao longo de todo seu comprimento. Nucleossomas A molecula de DNA, no entanto, não se encontra distendida no filamento cromossomico. Os intervalos regulares, ela se enrola sobre grânulos de histonas, formando estruturas globulares conhecidas pelo nome de nucleossomas. Cromonema O cromossoma, formado por um fio de DNA salpicado de nucleossomas, é enrolado helicoidalmente, como fio de telefone. Essa é estrutura básica do filamento cromossomico, chamada cromonema (do grego chromatos, cor, e nematos, fios). Cromômeros O cromonema apresenta, ao longo de seu comprimento, regiões enoveladas. Esses pontos de enovelamento aparecem no microscópio óptico como minúsculo grãos e são chamados cromômeros (do grego chromatos, cor, e mero, parte) por serem as regiões do cromonema que se coram mais intensamente. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 47 Cromossoma Da Célula Em Divisão Quando a célula vai se dividir, o núcleo e os cromossomas passam por grandes modificações. Preparativos para a divisão celulares tem inicio co a condensação dos cromossomas, que começam a se enrolar sobre si mesmos, tornando- se progressivamente mais curtos e grossos , até assumirem o aspecto de botões compactos. Constrições Cromossomicas Durante a condensação cromossomica, as regiões eucromáticas se enrolam mais frouxamente do que as heterocromaticas, que estão condensadas mesmo durante a interfase. No cromossoma condensado, as heterocromatinas, devido a esse seu alto grau de empacotamento, aparecem como regiões «estranguladas» do bastão cromossomico, chamadas constriçoes. 1.6.2.Centrômero E Cromatideos Na célula que está em processo de divisão cada cromossoma condensado aparece como um par de bastões unidos em um dedterminado ponto, o centrômero. Essas duas «metades» cromossomicas, denominadas cromatideos- irmãs, são identicas e surgem da duplicação do filamento cromossomico original, que ocorre na interfase, pouco antes de divisão celular se iniciar. Durante o processo da divisão celular , os cromatideos irmãos se separam: cada cromatideo migra para uma das células filhas que se formam. O centrômero fica localizado em uma região heterocromática, portanto em uma constrição do cromossoma condensado. A constrição que contém o centrômero é chamada constrição primária., e todas as outras que porventura existam são chamadas constrições secundárias.Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 48 Tipos de Cromossomas A maioria dos cromossomas são monocêntricos, ou seja, possui um centrômero apenas. As partes de um cromossoma separadas pelo centrômero são chamadas braços cromossomicos. A relação de tamanho entre os braços cromossomicos, determinada pela posição do centrômero, permite classificar os cromossomas em quatro tipos: Metacêntricos; Submetacêntricos Acrocêntricos Telocêntrico Descrição dos Tipos De Cromossomas Metacêntricos: possuem o centrômero no meio , formando dois braços de mesmo tamanho; Submetacêntricos: possuem centrômero um pouco deslocado da região mediana, formando dois braços de tamanhos desiguais; Acrocêntricos: possuem centrômeros bem próximosa uma das extremidades, formando um braços grande e outro muito pequeno; Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 49 Telocêntrico: possuem o centrômero em uma das extremidades, tendo apenas um braço. Os cromossomas acêntricos (sem centrômero) geralmente são perdidos durante a divisão celular, uma vez que no centrômero está o cinetócoro, estrutura responsável pela fixação das fibras do fuso, as quais direcionam os cromossomas durante o ciclo celular. Os cromossomas com mais de um centrômero são passíveis de quebras, uma vez que as fibras do fuso mitótico podem direccionar os cromatideos de maneira aleatória. Entretanto, estes cromossomas podem ser mantidos na natureza por meio de um mecanismo de inactivação de um dos centrômeros ou de alguns centrômeros. Estes passam a ser chamados de centrômeros latentes. Imagem: Estrutura do Cromossoma. Fonte: Internet Quando as fibras do fuso se ligam na extensão do cromatideo, o cromossoma é chamado holocêntrico, por não possuir uma única região centromérica. Com base na localização dos centrômeros são feitas as classificações dos tipos cromossômicos. Um exemplo é a classificação de Levan et al. (1964), que considera 4 tipos cromossômicos em relação à razão de braços. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 50 A razão é calculada dividindo-se a medida do maior braço (q) pela do braço menor (p): As constrições secundárias também são regiões particulares dos cromossomas. Nelas geralmente estão as Regiões Organizadoras de Nucléolo (RONs). Nas RONs estão localizados os genes responsáveis pela produção de rRNAs, os quais constituem parte do nucléolo. A sua importância está em justamente produzir e processar os RNAs necessários para sintetizar todas as proteínas da célula. Os genes ribossômicos estão presentes em múltiplas cópias no genoma, ou seja, é um tipo de DNA repetitivo. Esquema de Tipos de Cromossomas, da Esquerda para Direita: Cromossoma Metacêntrico, Cromossoma Submetacêntrico e Cromossoma Acrocêntrico Tipo Cromossómico Razão de Braços Metacêntrico RB = 1,00 - 1,70 Submetacêntrico RB = 1,71 - 3,00 Subtelocêntrico RB = 3,01 - 7,00 Acrocêntrico RB > 7,01 Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 51 Os telômeros possuem sequências próprias de DNA, conservada em várias espécies, com algumas poucas excepções. Em muitos eucariontes os telômeros consistem de repetições de um hexanucleotídeo: TTAGGG, mas uma variedade de outras pequenas sequências curtas têm sido observadas em algumas espécies. Estas repetições tem um papel importante na conservação da estrutura do cromossoma. Isso acontece porque a cada ciclo celular, em que o cromossoma é duplicado, não é possível chegar ao fim da molécula de DNA. A repetição desta sequência de bases evita o encurtamento indefinido, que pode excluir do cromossoma genes activos. Sumário O cromossoma metafásico típico é formado por dois cromatídeos irmãos, um deles oriundo do processo de duplicação da cromatina. Os cromatídeos se encontram presos por um região delgada, chamada constrição primária ou centrômero. O centrômero divide o cromatídeos em dois braços cromossômicos, ou pode estar localizado na região terminal de um braço, formando um cromossoma com um braço apenas. Em alguns cromossomas pode ser visualizada ainda uma constrição secundária, outra região de condensação diferenciada no cromossoma. O segmento seccionado pela constrição secundária e anterior ao telômero é conhecido como satélite. Os telômeros ou telómeros são estruturas constituídas por fileiras repetitivas de proteínas e DNA não codificante que formam as extremidades dos cromossomas. Sua principal função é manter a estabilidade estrutural do cromossoma. Eucromatina consiste em DNA activo, ou seja, que pode-se expressar como proteinas e enzimas. Regiões nas quais a cromatina encontra-se desespiralada na interfase constituem a eucromatina. Nestas áreas, os Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 52 nucleossomas afastam-se uns dos outros, expondo os genes que podem, assim, trabalhar normalmente, isto é, ser transcritos. Heterocromatina consiste em DNA inactivo e que parece ter funções estruturais durante o ciclo celular. A heterocromatina é a parte da cromatina condensada ou inactiva. A maioria dos cromossomas são monocêntricos, ou seja, possuem um centrômero apenas. Na natureza podem ser encontrados cromossomas: dicêntricos, tricêntricos e acêntricos, etc. Os cromossomas acêntricos (sem centrômero) geralmente são perdidos durante a divisão celular, uma vez que no centrômero está o cinetócoro, estrutura responsável pela fixação das fibras do fuso, as quais direccionam os cromossomas durante o ciclo celular. Exercícios 1. Como é formado o cromossoma metafásico típico? R: O cromossoma metafásico típico é formado por dois cromatídeos irmãos, um deles oriundo do processo de duplicação da cromatina. 2. O que são telômeros ou telómeros? R: Os telômeros ou telómeros são estruturas constituídas por fileiras repetitivas de proteínas e DNA não codificante que formam as extremidades dos cromossomas. 3. Quais são os tipos de cromatina? Explique a diferença. R: Eucromatina: consiste em DNA activo, ou seja, que pode-se expressar como proteinas e enzimas. Regiões nas quais a cromatina encontra-se desespiralada na interfase constituem a eucromatina enquanto que Heterocromatina: consiste em DNA inactivo e que parece ter funções estruturais durante o ciclo celular. A heterocromatina é a parte da cromatina condensada ou inactiva. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 53 Cromossomas E Genes O que são genes? As moléculas de DNA dos cromossomas contêm «recitas» para fabricação de todas as proteinas da célula. Cada receita é um gene. Conceito de genoma Um cromossoma é comparável a um livro de receitas de proteinas , e o nucleo de uma célula humana é comparável a uma biblioteca , constituida por 46 volumes, , que contém o receituário completo de todas as proteinas do individuo.o conjunto completo de genes de uma espécie, com as informações para a fabricação dos milhares de tipos de proteinas necessária para à vida , é denominado genoma. Cromossomas homologos Os 46 cromossomas que possuimos em cada uma de nossas células foram originalmente herdados de nossos pais: recebemos um lote de 23cromossomas no óvulo e um lote de 23 cromossoma no espermatozoide. A primeira célula do nosso corpo – zigoto-tinha, portanto 23 pares de cromossomas. Os membros de cada par cromossomico, um proveniente da mãe e outrodo pai, são chamados cromossomas homologos. (do grego homoios, igual, semelhante). Células diplóides e haploides Células que possuem pares de cromossomas homologos, como a primeira célula de nosso corpo e todas as demais que dela descendem, são chamadas células diploides (do grego diplo, duplo, dois). Já o óvulo e o espermatozóide, que possuem apenas um lote cromossomico, são células haploides (do grego haplos, simples). Os cromossomas de um par de homologos são morfologicamente semelhantes, tendo mesmo tamanho e mesmo aspecto geral quando observado ao microscópio. Do ponto de vista genético, eles possuem informações para os mesmos tipos de proteinas, distribuidas na mesma Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 54 sequência ao longo de seu comprimento. Assim em determinado local de um cromossoma existir um gene para cada proteina, em seu homologo, no local correspondente, haverá um gene para essa mesma proteina ou para uma muito semelhante. Locos Génicos E Genes Alelos O local de cromossoma ocupado por um gene é denominado loco génico. Genes que ocupam a mesma posição relativa em cromossomas homologos, isto é, o mesmo loco, são chamados genes alelos. Os cromossomas homologos podem ser comparados a dois prédios de mesma planta arquitetônica, com um apartamento por andar. Cada apartamento corresponde a um loco génico. Apartamentos localizados no mesmo andar, em prédios homologos, correspondem aos genes alelos. Se os alelos de um locam são identicos (no caso, representados por apartamentos de mesmo andar onde moram gêmeos identicos), fala-se em alelos na condição homozigótica. Se os alelos de um loco são diferentes, fala-se em alelos na condição heterozigotica. Os Cromossomas Humanos O estudo dos cromossomos humanos tem grande importancia, uma vez que mitas doenças estão directamente relacionados a eles. Actualmente os cientistas são capazes de identificar pessoas com problemas cromossômicos, fazendo previsões das chances de virem a ter filhos afectados por estes problemas. Assim pode-se fazer o que se chama aconselhamento genético, isto é, sugerir aos casais sobre a conveniencia de se evitar uma gravidez em que haja alto risco de gerar um indivíduo doente. A citogenética do corpo humano, ramo da Biologia que estuda os cromossomos humanos, é uma especialidade relativamente nova, Foi apenas em 1956 que se demonstrou que tanto homems como mulheres têm 46 cromossomos em cada uma das suas celulas. Até aquela época, Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 55 cientistas de renome sustentavam que pessoas de ambos sexos tinham 48 cromossomos. A tecnica mais empregada para o estudo dos cromossomos humanos se beseia no cultivo dos globulos brancos do sangue( Leucócitos) em tubos de ensaio.Um pouco do sangue do paciente é colocado no frasco que já contém um meio de cultura, composto por uma solução de minerais, vitaminas e aminoácidos. Adiciona-se ao meio uma substância denominada fito-hemaglutinina que activa as divisões celularews e faz com que, após 3 dias, o frasco esteja povoado por grande número de leucócitos em processo de divisão. Papel da colchicina no estudo cromossomico Nesse ponto, adiciona-se à cultura uma substância denominada colchicina, que tem a propriedade de bloquear as divisões celulares no estágio em que os cromossomas se encontram bem condensados. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 56 O Cariótipo das Células Objectivos Definir o conceito de cariótipo; Explicar a estrutura do cariótipo das células; Descrever a estrutura do cariótipo das células; Fazer esquema da estrutura do cariótipo das células; Relacionar o cariótipo das células com a reprodução. O Cariótipo das Células A palavra karyotype (cariótipo em português) é derivada do gr. “karyon = nó e “typos = forma. Cariótipo é o conjunto cromossômico ou a constante cromossômica diplóide de uma espécie. Representa o número total de cromossomas de uma célula somática (do corpo). A representação do cariótipo pode ser um cariograma (imagem dos cromossomas) ou um idiograma (esquema dos cromossomas), e é ele quem fornece as informações substanciais para o estabelecimento das relações entre espécies, com respeito à organização dos cromossomas. Para determinar o número diplóide de cromossomas de um organismo, as células podem ser fixadas em metafase in vitro com colchicina. Estas células são então coradas (o nome cromossoma foi dado pela sua capacidade de serem corados), fotografadas e dispostas num cariótipo (um conjunto ordenado de cromossomas). Tal como muitas espécies com reprodução sexuada, os seres humanos têm cromossomas sexuais especiais (X e Y), que são diferentes dos autossomas. Estes últimos tem como finalidade definir as funções corporais. Os cromossomas sexuais nos seres humanos são XX nas fêmeas e XY nos machos. Nas fêmeas, um dos dois cromossomas X está inactivo e pode ser visto em microscópio num formato característico que foi chamado corpos de Barr. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 57 Imagem: Número de Cromossomas da Espécie Humana. Fonte: Genética Humana. Cada espécie em particular possui um número de cromossomas característico. As espécies que se reproduzem assexuadamente têm um conjunto de cromossomas, que é igual em todas as células do corpo. As espécies que se reproduzem sexuadamente têm células somáticas, que são diplóides (têm dois conjuntos de cromossomas, um proveniente da mãe e outro do pai) ou poliplóides (têm mais do que dois conjuntos de cromossomas). Além das células somáticas, os organismos que se reproduzem sexuadamente possuem os gâmetas (células reprodutoras), que são haplóides (têm apenas um conjunto de cromossomas). Os gâmetas são produzidos por meiose de uma célula diplóide da linha germinativa. Durante a meiose, cromossomas semelhantes de origem materna e paterna (por exemplo o cromossoma um de origem materna com o cromossoma um de origem paterna) podem trocar pequenas partes de si próprios (crossing-over), e assim criar novos cromossomas que não foram herdados unicamente de um dos progenitores (podendo criar, por exemplo, um cromossoma, um que apresenta regiões provenientes do cromossoma um de origem materna junto com outras regiões do cromossoma um de origem paterna). Quando um gâmeta masculino e Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 58 um gâmeta feminino se unem (fertilização), forma-se um novo organismo diplóide. Espécie Diplóide (2n) Espécie Diplóide (2n) Drosófila 8 Humano 46 Centeio 14 Macaco 48 Coelho 44 Rato 44 Cobaia 16 Carneiro 54 Avoante 16 Cavalo 64 Caracol 24 Galo 78 Minhoca 32 Carpa 104 orco 40 Borboleta 380 Trego 42 Samambaia 1200 Quadro: Números de Cromossomos em Diferentes Espécies. Biologia Celular. Sumário Cariótipo é o conjunto cromossômico ou a constante cromossômica diplóide de uma espécie. A representação do cariótipo pode ser um cariograma ou um idiograma. Tal como muitas espécies com reprodução sexuada, os seres humanos têm cromossomas sexuais especiais (X e Y), que são diferentes dos autossomas. Os cromossomas sexuais nos seres humanos são XX nas fêmeas e XY nos machos. Nas fêmeas, um dos dois cromossomas X está inactivo e pode ser visto em microscópio num formato característico que foi chamado corpos de Barr. Cada espécie em particular possui um número de cromossomas característico. As espécies que se reproduzem assexuadamente têm um conjuntode cromossomas, que é igual em todas as células do corpo. As espécies que se reproduzem sexuadamente têm células somáticas, que são diplóides ou poliplóides. Além das células somáticas, os organismos que se reproduzem sexuadamente possuem os gâmetas, que são haplóides. Os gâmetas são produzidos por meiose de uma Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 59 célula diplóide da linha germinativa. Durante a meiose, cromossomas semelhantes de origem materna e paterna podem trocar pequenas partes de si próprios. Exercícios 1. O que entendes por cariótipo? R: Cariótipo é o conjunto cromossômico ou a constante cromossômica diplóide de uma espécie. 2. Como é que se pode determinar o número diplóide de cromossomas? R: Para determinar o número diplóide de cromossomas de um organismo, as células podem ser fixadas em metafase in vitro com colchicina. 3. Como são os cromossomas sexuais nos seres humanos? R: Os cromossomas sexuais nos seres humanos são XX nas fêmeas e XY nos machos. Nas fêmeas, um dos dois cromossomas X está inactivo e pode ser visto em microscópio num formato característico que foi chamado corpos de Barr. 4. Como é o conjunto de cromossomas espécies que se reproduzem assexuadamente? R: As espécies que se reproduzem assexuadamente têm um conjunto de cromossomas, que é igual em todas as células do corpo. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 60 Os Plasmídeos Introdução Prezado estudante, seja bem-vindo ao estudo dos plasmídeos. Os plasmídeos contêm geralmente um ou dois genes que conferem uma vantagem selectiva à bactéria que os abriga, por exemplo, a capacidade de construir uma resistência aos antibióticos. Portanto, está convidado para uma discussão activa sobre o tema proposto nesta unidade. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Definir o conceito de cariótipo; Explicar a estrutura do cariótipo das células; Descrever a estrutura do cariótipo das células; Fazer esquema da estrutura do cariótipo das células; Relacionar o cariótipo das células com a reprodução. Os Plasmídeos Os plasmídeos contêm geralmente um ou dois genes que conferem uma vantagem selectiva à bactéria que os abriga, por exemplo, a capacidade de construir uma resistência aos antibióticos. Todos os plasmídeos contém pelo menos uma sequência de DNA que serve como uma origem de replicação, e que permite ao DNA do plasmídeo replicar-se independentemente do DNA cromossómico. Os epissomas são plasmídeos que se conseguem integrar no DNA cromossómico do hospedeiro. Portanto, por esta razão, podem permanecer intactos durante muito tempo, ser duplicados em cada divisão celular do Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 61 hospedeiro, e transformar-se numa parte básica da sua constituição genética. Imagem: Bactéria com Plasmídeo. Fonte: Internet Tipos de Plasmídeos: Existem dois grupos básicos de plasmídeos: os conjuntivos e os não- conjuntivos. Os plasmídeos conjuntivos contém um gene chamado tra- gene, que pode iniciar a conjugação, ou seja, a troca sexual de plasmídeos com outra bactéria (veja figura à baixo). Os plasmídeos não-conjuntivos são incapazes de iniciar a conjugação e, por esse motivo, o seu movimento para outra bactéria, mas podem ser transferidos com plasmídeos conjuntivos durante a conjugação. Imagem: Desenho esquemático da conjugação Bacteriana:. 1.DNA cromossómico; 2. Plasmídeos e 3. Pilus. Fonte: Palestra de Genética. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 62 Numa única célula podem coexistir vários tipos diferentes de plasmídeos. A bactéria Escherichia coli, por exemplo, tem até sete. Dois plasmídeos podem ser incompatíveis, e a sua interacção resulta na destruição de um deles. Os plasmídeos podem ser colocados em grupos de incompatibilidade, que dependem da sua capacidade de coexistir numa única célula. As Principais Classes dos Plasmídeos: Um critério usado para classificar os plasmídeos é pela função que desempenham. Existem cinco classes principais: 1. Plasmídeos de Fertilidade (F): que contém apenas tra-genes. A sua única função é a iniciação da conjugação bacteriana; 2. Plasmídeos de Resistência (R): que contém genes que os tornam resistentes a antibióticos ou venenos; 3. Col-plasmídeos: que contém plasmídeos que codificam (determinam a produção de) colicinas, proteínas que podem matar outras bactérias; 4. Plasmídeos Degradativos: que permitem a digestão de substâncias pouco habituais, como o toluole ou o ácido salicílico. 5. Plasmídeos de Virulência: que transformam a bactéria num agente patogénico. Como por exemplo o plasmídeo Ti, da bactéria Agrobacterium tumefaciens, que é usado atualmente na genética para a produção de plantas transgênicas. Os plasmídeos que existem em cópia única em cada bactéria correm o risco de, depois da divisão celular, desaparecer numa das bactérias filhas. Para se assegurarem de que a célula tem "interesse" em manter uma cópia do plasmídeo em cada uma das células filhas, alguns plasmídeos incluem um sistema viciante: produzem tanto um veneno de longa vida como um seu antídoto de vida curta. A célula que mantiver uma cópia do plasmídeo irá sobreviver, ao passo que a célula que não o possuir morrerá em breve por falta do antídoto. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 63 Aplicações dos Plasmídeos: Os plasmídeos são ferramentas importantes nos laboratórios de genética e bioquímica, onde são usados rotineiramente para multiplicar (fazer muitas cópias de) ou expressar genes específicos. Este plasmídeo deverá conter, além do gene inserido, um ou mais genes capazes de conferir resistência antibiótica à bactéria que servir de hospedeiro. Os plasmídeos são então inseridos em bactérias por um processo chamado transformação, e estes são depois incubadas em meio rico em antibiótico (s) específico(s). Então, as bactérias que contiverem uma ou mais cópias do plasmídeo expressam (fazem proteínas a partir de) o gene que confere resistência aos antibióticos. Geralmente, a célula produz uma proteína que irá ser destruída pelos antibióticos que, de outra forma, matariam a célula. Os antibióticos matam as células que não receberam plasmídeo, porque não possuem os genes de resistência aos antibióticos. O resultado é que só as bactérias com a resistência aos antibióticos sobrevivem, e estas são as mesmas que contém o gene a ser replicado. Portanto, desta forma, os antibióticos actuam como filtros que seleccionam apenas as bactérias modificadas. Actualmente, estas bactérias podem ser cultivadas em grandes quantidades, recolhidas e destruídas para isolar o plasmídeo interessante. Outro uso importante dos plasmídeos é a produção de grandes quantidades de proteínas. Neste caso, cultiva-se as bactérias que contém um plasmídeo que inclui o gene que codifica a proteína que se pretende produzir. Da mesma forma que uma bactéria produz proteínas que lhe conferem resistência aos antibióticos, também pode ser induzida a produzir grandes quantidades de proteínas a partir do gene que nelas foi introduzido. Esta é uma maneira barata e simples de produzir um gene ou a proteína que ele codifica, como é o caso da insulina ou mesmo antibióticos. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 64 Sumário Os plasmídeos contém geralmente um ou dois genes que conferemuma vantagem selectiva à bactéria que os abriga, por exemplo, a capacidade de construir uma resistência aos antibióticos. Todos os plasmídeos contém pelo menos uma sequência de DNA que serve como uma origem de replicação, e que permite ao DNA do plasmídeo replicar-se independentemente do DNA cromossómico. Os epissomas são plasmídeos que se conseguem integrar no DNA cromossómico do hospedeiro. Portanto, por esta razão, podem permanecer intactos durante muito tempo, ser duplicados em cada divisão celular do hospedeiro, e transformar-se numa parte básica da sua constituição genética. Existem dois grupos básicos de plasmídeos: os conjuntivos e os não- conjuntivos. Um critério usado para classificar os plasmídeos é pela função que desempenham. Os plasmídeos são ferramentas importantes nos laboratórios de genética e bioquímica, onde são usados rotineiramente para multiplicar ou expressar genes específicos. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 65 Exercícios 1. O entendes por epissomas? R: Os epissomas são plasmídeos que se conseguem integrar no DNA cromossómico do hospedeiro. 2. Quais são as diferenças entre os Plasmídeos conjuntivos e os não-conjuntivos? R: Os plasmídeos conjuntivos contém um gene chamado tra-gene, que pode iniciar a conjugação, ou seja, a troca sexual de plasmídeos com outra bactéria enquanto que plasmídeos não-conjuntivos são incapazes de iniciar a conjugação e, por esse motivo, o seu movimento para outra bactéria, mas podem ser transferidos com plasmídeos conjuntivos durante a conjugação. 3. Indique as principais classes dos plasmídeos. R: Existem cinco classes principais: Plasmídeos de Fertilidade (F); Plasmídeos de Resistência (R); Col- plasmídeos; Plasmídeos Degradativos e Plasmídeos de Virulência. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 66 Divisão celular Introdução Prezado estudante, seja bem-vindo ao estudo da Mitose e Meiose. Cada ciência tem uma linguagem própria e a genética não foge a regra. Em genética são usados um conjunto de termos e símbolos de modo a facilitar a compreensão dos fenómenos hereditários. A mitose e Meiose faz parte desta linguagem. Portanto, está convidado para uma discussão sobre a mitose e meiose conceitos usados em genética que se referem a dois tipos de divisão celular nas células. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Conhecer a importância da divisão cellular mitótica e meótica; Aplicar alguns conhecimentos da mitose e meiose na reprodução; Interpretar as fases da mitose e meiose; Explicar a essência do ciclo celular; Comparar as fases da mitose e meiose Distinguir as fases da mitose e meiose.. Divisão celular: Mitose A importância da divisão celular As células vivas sempre surgem de células pre-existentes, através do processo de divisão celular. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 67 Papel da divisão celular nos organismos unicelulares No caso dos organismos unicelulares como bácterias, protozoários e certas algas, a divisão celular significa a própria reprodução. Dois novos individuos surgem a partir da divisão da única celula que compõe o indivíduo genitor. Papel da divisão celular nos organismos multicelulares Nos organimos multicelulares, a divisão celular é fundamental para o seu crescimento e desenvolvimento. Um dia todos nós fomos uma única célula, a célula-ovo. Por meio de divisões celulares sucessivas , o número de células foi aumentando , até atingir os quedrilhões de células que constituem nosso corpo adulto. Mesmo depois que um organismo multicelular atinge seu tamanho definitivo, muitas de suas células continuam a se dividir . Nesse exato momento que estás a ler esse manual, milhares de células estão se dividindo em seu corpo. Substituindo células que morrem normalmente ou que são destruidas por alguns acidentes. A complexidade da divisão celular Uma célula é estrutura altamente organizada, e sua divisão não pode ocorrer por mera partição. A divisão celular é um processo complexo , controlado nos mínimos detalhes pelo programa genético da célula. Os aspectos básicos do processo de divisão celular já são conhecidos , mas ainda há muitos pontos a serem esclarecidos. Apenas na segunda metade do século XX os cientistas começaram a compreender os detalhes desse extraordinário processo , que tem inicio logo no primeiro instante de nossa vida. O aspecto mais notável da divisão celular é a fidelidade com que os programas genéticos , inscritos nos cromossomas , são passados de uma geração celular para a outra. Uma célula , antes de se dividir , executa uma cópia de todos os seus genes , duplicando assim os seus cromossomas. Em seguida, os dois conjuntos de cromossomas são Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 68 separados , formando dois novos núcleos. A célula se divide, então, em duas células-filhas, quereceberão informações genéticas identicas àquelas existentes na célula-mãe. Ciclo celular O crescimento da célula, a duplicação dos genes e a divisão celular propriamente dita ocorrem de maneira ordenada dentro de um determinado intervalo de tempo , conhecido como ciclo celular. Fases do ciclo celular O ciclo celular tem inicio no momento em que a célula surge , pela divisão de uma célula preexistente , e se estende até que ela se divida em duas células filhas.(fig) A duraçãodo ciclo celular A duração do ciclo celular varia de acordo com o tipo de célula considerado e com estado fisiologico em que a célula se encontra. Em alguns casos, o ciclo celular se completa em pouco mais de uma hora, mas , em outros, pode durar vários dias. Em um embrião por exemplo , as divisões celulares se sucedem com grande rapidez, de modo que o ciclo celular dura praticamente o tempo gasto para a célula se dividir. As células de nosso esófago tém ciclo celular de pouco mais de uma semana, enquanto células do duodeno tém ciclo celular aproximadamente um dia. Interfase O ciclo de vida de uma célula termina quando ela se divide , originando duas células-filhas. O periodo que antecede essa divisão é denominada interfase e representa , em média , mais de 90% do tempo de duração do ciclo celular. Na interfase, pouco antes da divisão ter inicio ocorre a duplicação do DNA dos cromossomas. Assim, são duplicadas todas as informções genéticas da célula mãe, que serão transmitidas às células – filhas. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 69 Tomando por base a duplicação do DNA, a interfase é dividida em três periodos sucessivos, respectivamente denominados G1,S e G2 . Chama-Se periodo G1 (do inglês gap, intervalo) aquele que precede a duplicação do DNA està ocorrendo. O periodo G2, o ùltimo da interfase, è, em geral, mais curto, e vai do tèrmino da duplicação do DNA até o inìcio da divisão celular. (Fig.8.4). A duplicação dos cromossomos À Medida que o DNA de cada cromossomo se duplica, molèculas de histonas (proteinas) segregam para formar o fio cromossômioco bàsico. As histonas são fabricadas no citoplasma durante a fase S da intèrfase, simultaneamente à duplicação do DNA no nùcleo. O cromossomo duplicado è constituido por dois filamentos idênticos, as cromatides irmãs, que estão unidas pela região do centròmero. O Processo geral de divisão celular. A divisão celular de uma cèlula eucarionte consistede duas etapas: a mitose, processo que leva à formação de dois novos nùcleos na cèlula à formação de doisd novos nùcleos na cèlula, e a citocinese, processo de divisão do citoplasma. O termo `mitose´deriva da palavra grega mito que significa tecer, uma referência ao aspecto filamentoso assumido pelos cromossomos durante os processos de formação de dois novos núcleos. Durante a mitose, os cromossomos duplicados, enovelados no reduzido espaço do nùcleo celular, precisam ser separados e distribuidos equitativamente às células-filhas. Para que isso ocorra, a membrana nuclear tem de se romper e as cromàtides-irmãs têm de ser puxadas para os pòlos opostos da cèlula, onde se formarão os nùcleos- filhos. Fases da mitose. Filmagens de divisões celulares feitas através do microscópio revelam que a mitose é um processo contínuo, com duração de Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 70 aproximadamente uma hora. Para facilitar seu estudo, os cientistas definiram os eventos marcantas do processo, e assim dividiram a mitose em quatro fases: prófase, metáfase, anáfase e telófase. a) Prófase Eventos caracteristicos da prófase: - Condensação dos cromossomas- o termo prófase (do grego protos, primeiro) significa a primeira fase da mitose. O primeiro sinal de que a prófase teve inicio é a condensação dos cromossomas. Estes , já duplicados na interfase precedente , começam a se enrolar sobre si mesmos. Cada cromatideo se condensa independentemente, e vai aumentando progressivamente em diametro e diminuindo em comprimento. - Desaparecimento dos nucleolos - à medida que a prófase progride, os nucleolos se tornam menos visíveis, até desaparecerem por completo. - Formação do aster-no citoplasma, o centro celular se duplica e os dois novos centros celulares resultantes começam a migar em direções opostas. Ao redor de cada centro celular surgem fibras de proteinas que, dispostas radialmente, formam áster. Entre os centro celulares que separam aparecem fibras de proteinas. Em conjunto, essas fibras irão formar o fuso acromático ou aparelho mitótico. - Desintegração Da Carioteca- em determinado momento, a carioteca se desintegra em diversos pedaços.os cromossomas bem condensados , espalham-se no citoplasma. A desintegração da carioteca marca o fim da profase e o inicio da metafase. b) Metafase Eventos caracteristicos da metafase O termo metafase (do grego meta, meio) faz alusão ao facto de os cromossomas se arranjarem na região mediana (equatorial) da célula. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 71 - Formação do fuso acromático- o fuso acromático começa a se formar na profase e está completo na metafase. Com o desaparecimento da carioteca, as fibras do fuso passam a ocupar a região entre os centros celulares, agora em pólos opostos, para os quais convergem. Nas células animais, a formação do fuso tem inicio com o aparecimento de fibras radialmente dispostas ao redor do centro celular. Essas fibras constituem os ásteres (do grego aster, estrela), assim chamados por lembrarem uma estrela. No centro celular de células animais, existem dois centriolos perpendiculares orientados. Experimentos em que os centriolos de células animais foram destruidos por bombardeamento com raios laser mostraram que esses organelos não essenciais a formação do fuso. Mesmo na ausencia de centriolos, o fuso se forma normalmente e a célula entra em divisão. As células das plantas fanerógamas (gimnospermas) não formam ásteres. Nelas, o fuso é constituido apenas por pelas fibras que se estendem de um centro celular para o outro. Por não possuir centriolos, fala-se que a mitose das células vegetais é acêntrica, enquanto a dos animais é cêntrica. Por não formar ásteres, a mitose das células vegetais é denominada anastral, enquanto a dos animais , em que há formação de ásteres, é denominada astral. O verdadeiro centro de formação do fuso, tanto nas células animais quanto nas vegetais, é um material amorfo, somente visivel ao microscópio electrónico. Mas a maneira como esse centro organizador do fuso actua e sua relação com os centriolos nas células animais são pontos que ainda não foram esclarecidos pelos cientistas. - Ligação dos cromossomas às fibras do fuso- os cromossomas , altamente condensados, ligam- se as fibras do fuso através dos centromeros.todos os cromossomas se dispõem no mesmo plano, no plano do equador da célula, formando a chamada placa equatorial ou placa metafásica. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 72 A ligação dos cromossomas ao fuso permite os cromatideos – irmãos fiquem correctamente direcionadas, cada uma voltada para um dos polos da célula. A metafase termina quando o centromero se divide e os cromatideos –irmãos começam a ser puxados para os polos opostos. c) Anafase: eventos caracteristicos da anafase -Separação dos cromatideos – irmãos O termo anàfase (do grego ana, separação) refere à separação das cromatides-irmãs de cada cromossomo para pòlos opostos da cèlula. O conjunto de cromossomos duplicados se separa em dois lotes idênticos, que em breve estarão nos núcleos das células filhas. -Migração dos cromossomos -irmãos O processo pelo qual ocorre a migração cromossômica durante a anàfase ainda não è totalmente conhecido. A hipòtese mais recente, baseada em diversos experimentos, é a de que os cromossomos sejam arrastados pelo deslizamento de fibras ligadas aos centrômeros sobre as fibras do fuso acromàtico. (fig.8.10). Se, por algum motivo, o fuso for impedido de se formar, a mitose prossegue normalmente atè a metàfase, mas as cromàtides não se separam. Depois de algum tempo estacionada em metàfase, a cèlula sem fuso entra em telòfase sem que tenha ocorrido a separação dos dois lotes de cromatides-irmãs. As cromatides se descondensam, uma nova carioteca se reorganiza e os nuclèolos reaparecem, reconstituindo um nùcleo tipicamente interfàsico, porèm com o dodro de filamentos cromossômicos existentes na cèlula original. A situação descrita acima pode ser provocada experimentalmente pelo uso de certas drogas, como por exemplo, a colchicina, que desorganiza as fibras do fuso. A propriedade que a colchicina tem de paralizar a mitose em metàfase tem sido aproveitada pelos cientistas no estudo dos cromossomos. Você deve se lembrar que, para estudar Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 73 os cromossomos humanos, se emprega a colchicina para deter a divisão dos glòbulos brancos em metàfase, o que facilita sua observação. d) Telòfase: eventos caracterìsticos da telòfase O termo telòfase (do grego telos, fim) è empregado para designar a fase final da mitose, e pode, em linhas gerais, ser considerada o inverso da pròfase. Reorganização da carioteca Na telòfase, os fragmentos membranosos da carioteca, resultantes de sua ruptura na pròfase, são atraidos para os dois conjuntos cromossômicos dispostos nos pòlos da cèlula. Os dos cromossomos, e dão inìcio à formação de novas cariotecas. Descondensação dos cromossomos e reaparecimentomdos nuclèolos. Os cromossomos se descondensam e os nuclèolos reaparecem. Assim, os dois nùcleos-irmãos adquirem o aspecto tìpico de nùcleos intrfàsicos. (fig.8.11). 3.Citocinese, o fim da divisão celular. O processo de duplicação do nùcleo celular, que se conclui na telófase, é denominado cariocinese (do grego karyon, núcleo, e kinesis, movimento), que significa divisão do núcleo. Em muitos casos, antes mesmos de a cariocinese terminar, a célula já dá início á divisão de seu citoplasmaem duas metades, geralmente de mesmo tamanho. Esse processo é denominado citocinese, que significa divisão da célula. 3.1.Citocinese centrípeta No fim da telófase, em células animais e de alguns protozoários, tem início um processo de estrangulamento na região mediana, que Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 74 termina por dividir a célula em duas. Por começar na periferia e avançar para o centro da célula, este tipo de divisão citoplasmática é chamada de citocinese centrípeta. 3.2.Citocinese centrífuga A citocinese das células vegetais e de muitas algas difere da que ocorre nas células animais. Ai nda na telòfase, a célula vegetal forma bolsas membranosas repletas de pectinas, que começam a se acumular na região mediana. Esse acúmulo principia no centro e avança progressivamente rumo àregião mais externa da célula. Formação do fragmoplasto As bolsas que contêm pectina fundem-se umas ás outras, formando uma placa denominada fragmoplasto que separa o citoplasma da célula em dois. Mais tarde, moléculas de celulose começam a se depositar no fragmoplasto, formando as paredes celulósicas primárias das células-filhas. Como a divisão do citoplasmaocore do centro para a periferia da célula, recebe o nome de citocinese centrífuga.(fig 8.12). É interessante resaltar que, nos vegetais, a separação entre os citplasmas de células-irmãs não écompleta: durante a formação do fragmoplasto, restam filamentos de citoplasma comunicando as células-irmãs. Mesmo depois da deposição da parede celulósica, as células continuam em comunicação através dessas pontes citoplasmáticas, que recebem o nome de plasmodesmos (do grego plasma, líquido, e desmos, ponte, ligação). 3.3. O significado de alguns eventos mitòticos A condensação dos cromossomos Durante a intérfase, os cromossomos têm a forma de fios muito longos e finos, enovelados no interior do núcleo. Nessa condição é impossível a separação e distribuição correta dos cromossomos para as células- Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 75 filhas. É a condensação que torna possível a separação cromossômica, pois, na forma de pequenos bast, durante a anáfase, os cromossomos podem ser puxados para os pólos sem o perigo de se emaranharem uns com os outros. A fragmentação da carioteca O sistema de fibras que constitui o fuso acromàtico, cuja função é separar os cromossomos e encaminhá-los para os pólos celulares, começa a se formar na prófase. Uma vez que o fuso se forma no citoplasma, é necessário que a carioteca desapareça, para permitir que os cromossomos entrem em contacto com as fibras do fuso. O desaparecimento e reaparecimento dos nucleólos Á medida que os cromossomos se condensam, sua atividade diminui, e eles deixam de produzir RNA.É a interrupção da síntese de RNA ribossômico que faz com que os nucléolos desapareçam.Isto ocorre porque o RNA ribossõmico, que estava amadurecendo nos nucleolos, sai para o citoplasma e não é reposto. Com a descondensação dos cromossomos na telofase, estes retomam sua atividade. A produção de RNA ribossômico é restabelecida e gránulos pré-ribossômicos voltam a se acumular ao redor das regiões organizadoras dos nucléolos de modo que estes reaparecem. 3.4. Variações do processo de divisão celular Em alguns organismos, o processo de mitose apresenta variações em relação ao que acabamos de estudar. Mitoses intra e extranuclear Em certos protozoários, o fuzo se forma no interior do núcleo e a carioteca nunca desaparece.Quando os cromossomas-irmãos se separam, o núcleo sofre um estrangulamento, dividindo-se em dois. Este tipode mitose é chamado intranuclear, enquanto em animais e plantas, em que a carioteca se rompe, a mitose é chamada extranuclear. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 76 DIVISÃO CELULAR (II): MEIOSE A importância da meiose Na reprodução sexuada de organismos multicelulares, duas células especializadas, denominadas gametas, se unem para formar a célula- ovo ou zigoto, a primeira célula de um novo ser. Esse processo de união do par de gametas é chamado de fecundação. As gametas são células haplóides, isto é, possuem um único lote cromossômico (n). Já os zigotos são células diplóides, ou seja, possuem dois lotes cromossômicos (2n), um proveniente de cada gâmeta. Na espécie humana, por exemplo, cada gameta tem 23 cromossomos, ou seja: n=23. Quando o gameta masculino-o espermatozóide- se une com o gameta feminino-o óvulo- forma-se o zigoto, com 46 cromossomos (2n=46). Imediatamente após a fecundação, o zigoto se divide por mitose, originando as duas primeiras células do novo ser. Estas também logo se dividem, assim como suas descendentes, originando os milhões, biliões ou triliões de células do organismo multicelular. Todos os tecidos do corpo, portanto, são formandos por células diplóides, denominados genericamente células somáticas (do grego somatos, corpo). Meiose um processo reducional Em determinado momentodo desenvolvimento do organismo multicelular, um grupo de células diplóides se diferencia e dá origem a uma linhagem celular especial, denominada linhagem germinativa (do latim germen, semente,). As células germinativas realizam, ao final de seu desenvolvimento, meiose, um processo de divisão em que o número de cromossomos é reduzido á metade nas células-filhas. A meiose é, portanto, um processo reducional de divisão celular, e representa um mecanismo fundamental e indissociável do ciclo de Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 77 reprodução sexuada, pois contrabalança o fato de o número de cromossomos dobrar quando ocorre o encontro dos gametas. O processo geral da meiose A meiose consta de duas divisões celulares consecutivas, cada uma dividida em quatro fases: Meiose-divisão I consta de:prófase I(temos as sub-fases leptóteno, zigóteno , paquíteno, diplóteno´diacinese), metáfase I , anáfase I, telófase I; Meiose- divisão II consta de: Prófase II, metáfase II, anáfase II, e telófase II. Uma duplicação cromossômica, duas divisões celulares: redução cromossômica. Assim como ocorre na mitose, os cromossomos das células que sofrem meiose também se duplicam na intérfase que precede a primeira divisáo, ficando constituido por duas cromátides irmãs unidas pelo centrômero. Não havera nova duplicação cromossômica antes da segunda divisão. É exatamente o fato de haver apenas uma duplicação cromossômica para duas divisões celulares consecutivas que explica a redução cromossômica da meiose.(fig.9.3) Fenômenos gerais da meoise Os fenômenos que ocorrem nas divisões I e II da meiose são similares aos da mitse. Nas prófases I e II ocorre condensação dos cromossomos; nas metáfases I e II os cromossomos se dispõem na região equatorial da célula e se ligam ás fibras do fuso, nas anáfases I e II ocorre a migração dos cromossomos para pólos opstos, nas telofases I e II há descondensãção dos cromossomos e formação dos núcleos-filhos nos pólos da célula. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 78 A primeira divisão da meiose Prófase I A prófase I da meiose é longa e complexa. Nela ocorrem eventos ausentes na mitose, tais como o emparelhamento dos cromossomos homólogos e a troca de pedaços entre cromátides. Devido á sua importância e complexidade, a prófase I da meiose é dividida em cinco subfases. Leptóteno: surgem os cromômeros A subfase de leptóteno( do grego lepto, fino, delgado) é assim chamada devido aos cromossomos estarem naforma de fios muito finos. Nessa subfase tem início a condensação cromossômica, que não se dá homogeneamente ao longo do cromossomo, como ocorre na mitose. Certas regiões se condensam primeiro, formam pequenos nódulos denaminados crmômeros, que ocorrem em regiões definidas de cada cromossomo. Cromômeros de cromosomos homólogos situam-se exatamente na mesma posição relativa.(fig.9.3) Zigóteno: início da sinapse cromossómica A subfase de zigóteno( do grego zygon, ligação, emparelhamento) é assim chamado devido ao processo de aproximação e ligação entre cromossomos homólogos, a sinapse cromossómic(do grego synapsis, juntar). O emparelhamento dos cromossomos homólogos se dá cromômero por cromômero, ao longo do comprimento e ocorre com tal rigor que os genes alelos se dispõem exatamente lado a lado. A condensação cromossômica, iniciada no leptóteno, prossegue durante o zigóteno. Paquíteno: formam-se os bivalentes ou tétrapodes O subfase de paquíteno (grego pachys, espesso, grosso) é assim chamado devido aos cromossomos terem assumindo o aspecto de fios relativamente grossos, tanto devido á condensação generalizada como Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 79 ao emparelhamento dos homólogos. Já não é mais possível ditinguir os cromômeros, agora que as antigas regiões intercromoméricas também se condensaram. A sinapse se completou, e os cromossomos homólogos estão perfeitamente emparelhados, formando conjuntos denaminados bivalentes ou tétrapodes.O termo bivalente (do prefixo latino bis, dois) se refere ao fato de hever dois cromossomos homólogos emparelhados, e o termo tétrade (do grego tetra, quatro) se refere á existência de quatro cromátides, uma vez que cada homólogo está duplicado. No paquíteno, ou eventualmente antes, no fim do zigóteno, ocorrem frequentemente fraturas nas cromátides de cromossomos homólogos emparelhados, logo seguidas por soldaduras de reparação. Entretanto a soldadura dos fragmentos cromossômicos muitas vezes ocorre em posição trocada: uma cromátide se solda ao fragmento de sua homóloga, e vice-versa. Esse fenômeno é conhecido por permutação ou crossing – over.(fig.9.5) Diplóteno: surgem os quiasmas A subfase de diplóteno(do grego diploos, duplo) é assim chamada porque nela se observa ao micróscopio óptico, que os cromossomos são constituidos por cromátides. Embora a duplicação tenha ocorrido na intérfase , é apenas no diplóteno que fica visível o fato de cada cromossomo estar duplicado, tanto por sua maior condensação quanto pela separação dos bivalentes, devida ao abrandamento da sinapse. Cromátides homólogas de certas tétrades podem estar cruzadas em determinados pontos, compondo figuras em forma de X, que são chamadas quiasmas (do grego chiasma, cruzado, em forma de x). Um quiasma é consequência direta de uma permutação cromossõmica, (fug.9.6). Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 80 Diacinese: terminalização dos quiasmas A subfase de diacinese (do grego dia, através, e cinesis, movimento) é assim chamada porque os cromossomos homólogos continuam se separando um do outro. Com o afastamento dos homólogos, os quismas tendem a deslizar para as extremidades cromossômicas, fenômeno conhecido como terminazação dos quiasmas. No final desta subfase, a carioteca se desintegra e os pares de homólogos, ainda associados, se dispõem na região central da célula. Metáfase I Com a fragmentaao da carioteca, os cromossomos se espelham pelo citoplasma, entrando em contato com as fibras do fuso acromático, que foi se organizando ao longo d aprófase I. Cada homólogo de um par está voltado para um pólo da célula, e se liga pelo centrômero a uma única fibra cromossômica. Anáfase I Os cromossomos homólogos, constiotuidos por duas cromátides unidas pelo centrômero, migram para pólos opostos da célula. A principal diferença entre uma anáfase mitótica e a anáfase I da maiose é que , nesta, os cromossomos que migram para os pólos são homólogos, constituidos por duas cromátides unidas pelo centrômero, enquanto na mitose os cromossomos em migração para os pólos são irmãos, cada um constituido por apenas uma cromátide. Telófase I A chegada dos cromossomos aos pólos da célula marca o fim da anáfase I e o início da telõfase I. O fuso acromático se desfaz e os cromossomos se descondensam, as cariotecas se reorganizam e os nucléolos reaparecem, surgindo dois novos núcleos. Como na mitose, pode-se dizer que a cariocinese (duplicação nuclear) se completou. Citocinese e intercinese Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 81 Em seguida á reorganização nuclear, ocorre a citocinese: o citoplasma se divide e surgem duas células. Ás vezes existe um curto período de intervalo entre a primeira e a segunda divisões da meiose, chamado intercinese. O significado da permutação cromossômica Na primeira divisão da meiose ocorrem alguns fenômenos característicos, de fundamental importância para a distribuição correta dos homólogos aos pólos opostos. Esses fenômenos são a sinapse( o emparelhamento dos homólogos) e a permutação(ou crossing-over). Complexo sinaptonêmico Á medida que os cromossomos homólogos se posicionam lado a lado no zigóteno, forma-se entre eles uma estrutura de natureza protéica constituída por filamentos que se prendem com as metades de um zíper: o complexo sinaptonêmico. Este garante que o emparelhamento cromossômico seja altamente específico, de modo que cada ponto de um cromossomo fique exatamente ao lado do ponto correspondente em ser homólogo. A associação íntima dos homólogos, proporcionada pelo complexo sinaptonêmico, possibilita a ocorrência de permutações, em praticamente todas as tétrades ocorre pelo menos uma permutação. O cruzamento das cromátides (quiasmas) provocado pela permutação evita que os homólogos se separem, mesmos depois da desorganização do complexo sinaptonêmico, fenômeno que ocore no diplóteno. Se a separação ocorresse antes da metáfase, os cromossomos provavelmente se ligariam caoticamente ás fibras do fuso, e seria impossível a distribuição coreta dos homólkogos, que devem se enbcaminhar para pólos opostos. A permutação tem outro importante significado biológico: a troca de fragmentos entre cromátides homólogas aumenta as misturas genéticas, levando a uma maior variedade de gametas formados por um indivíduo. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 82 A segunda divisão da meiose Prófase II A segunda divisão da meoise pouco se difere de uma mitose. As duas células resultantes da divisão I entram, simultaneamente, em prófase II. Os cromossomos, duplicados desde antes da primeira divisão, iniciam uma condensãção homogênea, sem cromômeros, e os nucléolos vão progressivamente desaparecendo da carioteca, os cromossomos se espalham no citoplasma. O fuso acromático, que se formou no decorrer da prófase II, ocupa a região central da célula. Os cromossomos se unem ás fíbras do fuso, e cada cromátide fica voltada para um pólo celular, As fibras do fuso mantêm os cromossomos estacionados na região equatorial da célula durante um certo tempo. A metáfase II termina quando oscentrômeros se divideme as cromátides-irmãs começam a migrar para pólos opostos. Anáfase II Com a divisão dos centrômeros, os cromossomos-irmãos (ex- cromátides-irmãs) migram para pólos opstos. Telófase II Nos pólos de cada célula, os cromossomos se descondensam, os nucléolos reaparecem e as cariotecas se reorganizam. Completa-se, assim, a segunda cariocinese dam meiose. Em seguida, o citoplasma sedivide (citocinese), e surgem duas células-filhas para cada célula que entrou na segunda divisão meiótica. A redução cromossômica na meiose Uma questão que se coloca a quem estuda a meiose é: as duas células formadas ao final na divisão I são haplóides ou diplóides? Antes de responde, retomemos o conceito haploidia e diploidia. Célula haplóide é aquela que possui um lote de n tipos de cromossomos, com um único representante de cada tipo, em outras palavras, células Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 83 happlóides náo há cromossomos homólogos. Célula diplóide, por sua vez, é aquela que possui dois lotes de n tipos de cromossomos, ou seja, cada tipo cromossômico estárepresentado por um de cromossomos homólogos. De acordo com esse critério, as duas células formadas na divisão I da meiose são haplóides, uma vez que cada uma delas possui apenas um dos homõlogos de cada par. Embora cada cromossomo esteja formado por duas cromatides, as células não têm cromossomos homólogos, e por isso são, qualitativamente, haplóides. A divisão I é, portanto, a verdadeira divisão reducional da meiose; a divisão II é uma divisão equacional ,onde o centrômero se divide e ocorre separação das cromátides-irmãs, tornando as células quantitativamente haplóides. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 84 Unidade 03: Genética molecular Estrutura de Ácido Desoxirribonucleico Introdução Prezado estudante, seja bem vindo ao estudo da estrutura de ácido desoxirribonucleico. A estrutura espacial do ácido desoxirribonucleico, é uma dupla hélice descrita pelos cientístas James Watson e Francis Crick.. Portanto, está convidado para uma discussão sobre a estrutura de ácido desoxirribonucleico. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Definir o conceito ácido desoxirribonucleico; Descrever a estrutura de ácido desoxirribonucleico; Compreender a estrutura de ácido desoxirribonucleico; Caracterizar estrutura de ácido desoxirribonucleico; Aplicar conhecimentos sobre a estrutura de ácido desoxirribonucleico. Estrutura de Ácido Desoxirribonucleico A estrutura espacial do ácido desoxirribonucleico, é uma dupla hélice descrita pelos cientístas James Watson e Francis Crick. Em 1953, James Dewey Watson (6 de Abril de 1928) é um dos autores do " Modelo de Dupla Hélice " para a estrutura da molécula de DNA. O trabalho publicado em 1953 na “ Revista Nature “ valeu-lhe o Prémio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1962, juntamente com Francis Harry Compton Crick (8 de Junho de 1916, Northampton, Inglaterra (28 de Julho de 2004, San Diego, Califórnia) foi um Físico e Bioquímico. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 85 Francis Crick e Maurice Wilkins, mostraram que a estrutura do DNA era em forma de dupla hélice. Em paralelo, propuseram o possível papel da estrutura assim, apresentada no processo de replicação. A natureza do código genético foi experimenalmente descortinado a partir do trabalho de Nirenberg, Khorana e de outros, no final da década de 50. O ácido desoxirribonucleico é um composto orgânico cujas moléculas são portadoras da informação genética que coordenam o desenvolvimento e funcionamento de todos os seres vivos incluíndo alguns vírus. O papel principal é armazenar as informações necessárias para a construção das proteínas e ácidos ribonucléicos. Os segmentos ou unidades de ADN que contêm uma determinada característica são chamados genes. A molécula de DNA é constituída por uma sequência de nucleotídeos, que por sua vez é formado por três diferentes tipos de moléculas: Um grupo fosfato (ácido fosfórico); Um açúcar (pentose); Uma base nitrogenada (base azotada). O sentido da dupla fita de DNA é orientada pelas ligações entre as três moléculas constituintes dos nucleotídeos. Fotos: Da esquerda para direita: Francis Harry Compton Crick, James Dewey Watson e Maurice Hugh Frederick Wilkins. Fonte História de Biologia. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 86 Ácido Fosfórico: Ácido fosfórico ou ácido ortofosfórico é um composto químico fórmula molecular H3PO4. É o ácido de fósforo mais importante. Dentre os ácidos minerais, pode ser considerado um ácido mais fraco. A partir do ácido fosfórico derivam-se o ácido difosfórico ou pirofosfórico, o ácido metafosfórico e o ácido polifosfórico. Nome: Fosfato de hidrogênio. Imagem: Estrutura Geométrica do Ácido Fosfórico Fonte: Internet Características do Ácido Fosfórico: O ácido fosfórico é trivalente, isto é, os três hidrogênios ácidos podem ser convertidos por substituição gradual a fosfatos primários, secundários e terciários. Os valores respectivos de pH são 2,15, 7,1 e 12,4. O ácido fosfórico é, portanto, um ácido que varia de fraco a medianamente forte. Seus sais são chamados de fosfatos. É muito solúvel em água e solúvel em etanol. O ácido fosfórico é muito deliquescente e é geralmente fornecido como uma solução aquosa concentrada a 85%. É o derivado de fósforo mais importante comercialmente, respondendo por mais de 90% da rocha fosfática que é extraída. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 87 Açúcar Desoxirribose: A estrutura do ácido desoxirribonucléico (ADN ou DNA), contém moléculas de açúcar com cinco átomos de carbono, chamado desoxirribose (C 5 H 10 O 4 ). Imagem: Estrutura Geométrica de Desoxirribose. Fonte: Internet Portanto, para compreender inteiramente muitos dos conceitos que serão apresentados a seguir é preciso conhecer a estrutura da desoxirribose. Uma representação visual do açúcar e como se relaciona com os outros dois componentes de um nucleótido é mostrada na figura abaixo. Ligação entre o Grupo Fosfato e a Pentose: Esta ligação é feita através de uma ligação fosfoéster com a hidroxila ligada ao carbono-5 da pentose. Para a formação da molécula de DNA é necessário que ocorra a ligação entre os nucleotídeos. Os nucleotídeos estão ligados covalentemente por ligações fosfodiéster formando entre si pontes de fosfato. O grupo hidroxila do carbono-3 da pentose do primeiro nucleotídeo se liga ao grupo fosfato ligado a hidroxila do carbono-5 da pentose do segundo nucleotídeo através de uma ligação fosfodiéster. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 88 Devido a esta formação a cadeia de DNA fica com uma direcção determinada, isto é, em uma extremidade temos livre a hidroxila do carbono-5 da primeira pentose e na outra temos livre a hidroxila do carbono-3 da última pentose.Isto determina que o crescimento do DNA se faça na direção de 5' para 3'. Sabendo-se como são feitas as ligações entre os nucleotídeos, formando assim a fita de DNA, podemos analisar a estrutura tridimensional do DNA. Portanto, James Watson e Francis Crick postularam um modelo tridimensional para a estrutura do DNA baseando-se em estudos de difração de raio-X. O DNA consiste de duas cadeias helicoidais de DNA, enroladas ao longo de um mesmo eixo, formando uma dupla hélice de sentido rotacional à direita. Ligação entre a Base Nitrogenada e a Pentose: Esta ligação é feita covalentemente através de uma ligação N- glicosídica com a hidroxila ligada ao carbono-1 da pentose. Os carbonos da desoxirribose são enumerados sequencialmente começando da direita para a esquerda. O primeiro carbono é 1' (lê-seImagem: Estrutura Geométrica da Ligação entre o Grupo Fosfato e a Pentose. Fonte: Internet Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 89 como um linha), o segundo é 2' (dois linha), e assim sucessivamente. A base azotada liga-se ao carbono 1', e o grupo fosfato ao carbono 5'. O nucleótido abaixo é ligado covalentemente ao carbono 3'. Isto permite que uma longa fita seja construída. Um exemplo de uma fita única de DNA é mostrada abaixo. Imagem: Estrutura Geométrica da Ligação entre a Base Nitrogenada e a Pentose. Fonte: Internet Entretanto, ao invés de sempre ver um diagrama molecular enorme de uma fita de DNA, o que vemos frequentemente é uma sequência de letras, tais como " ATCTTAG ". Esta sequência representa que bases estão em um determinado lado de uma fita de DNA. A sequência acima (ATCTTAG) representa a fita: adenina-timina-citosina-timina- timina-adenina-guanina." Uma purina se liga a uma pirimidina no DNA para formar um par de base. Adenina e timina ligam-se uma à outra para formar um par de base A- T. Igualmente, guanina e citosina ligam-se uma à outra para formar um par de base G-C. As bases permanecem unidas por fracas pontes de hidrogénio, e são estas pontes de hidrogénio as responsáveis pela manutenção da estrutura de dupla hélice do DNA. Uma imagem ilustrando como os pares de base se unem por pontes de hidrogénio é mostrada abaixo (As linhas azuis representam as pontes de hidrogénio). Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 90 O DNA tem duas fitas. Os nucleotídeos que estão em uma fita, correspondem à sequência dos nucleótidos da outra fita devido à maneira como ocorre o emparelhamento das bases (A com T, G com C). As duas fitas são complementares. Elas não são idênticas, mas se complementam perfeitamente. Além disso, deve-se notar que as duas fitas são antiparalelas. Isso significa que correm em sentidos opostos. Uma fita começa com 5' e termina com 3' enquanto a outra começa com 3' e termina com 5'. Por convenção a fita de sentido 5' → 3 ' é colocada na esquerda num desenho bidimensional. A figura abaixo dá um exemplo visual deste conceito e também mostra como as fitas são complementares. Imagem: Estrutura de Dupla Helice AND proposta por Watson e Crick. Fonte: Internet Imagem: Emparelhamento de Bases de AND. Fonte: Internet Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 91 Bases Azotadas: A Adenina: Em livros antigos, a adenina é algumas vezes chamada de Vitamina B4. Mas actualmente já, não é considerada verdadeiramente uma vitamina. A adenina é uma purina que possui uma grande variedade de papéis em bioquímica participando da respiração celular, na forma de adenosina trifosfato (ATP), dinucleotídeo nicotinamida-adenina (NAD) e dinucleotídeo flavina-adenina (FAD). Na síntese de proteínas participa como um componente químico do DNA e RNA. Quanto a estrutura pode-se afirmar que a adenina forma muitos tautômeros, compostos que podem ser rapidamente interconvertidos e são freqüentemente considerados equivalentes. O metabolismo das purinas envolve a formação da Adenina e Guanina. Tanto a Adenina como a Guanina são derivados do nucleotídeo inosina monofosfato (IMP) o qual é sintetizado em uma ribose preexistente por uma complexa via usando átomos provenientes de aminoácidos como a glicina, glutamina e aspartato, bem como o folato e bicarbonato. Imagem: Estrutura Geométrica da Adenina. Fonte: Bioquimica Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 92 Timina A timina é uma base nitrogenada que compõe o nucleotídeo, a principal estrutura que forma o ácido desoxirubonucléico, mais conhecida como ADN. A estrutura da timina é formada por substâncias químicas que formam uma molécula num único anel. Este tipo de composição é chamada pirimidina. As pirimidinas são compostos orgânicos semelhantes ao benzeno, mas com um anel heterocíclico: dois átomos de nitrogénio substituem o carbono nas posições 1 e 3. Três das bases dos ácidos nucléicos, a citosina, a timina e o uracila, são derivados pirimídicos. No ADN, as duas primeiras formam pontes de hidrogénio com as purinas complementares. A timina é a única molécula que existe apenas no ADN. As outras moléculas (guanina, citosina e adenina) também fazem parte do ácido ribonucléico (ARN). Nela, a timina é substituída pelo uracilo. Imagem: Estrutura Geométrica da Timina. Fonte: Bioquimica Guanina Guanina é uma base nitrogenada, orgânica, assim como a adenina, a citosina e a timina, que se une com uma molécula de desoxirribose (pentose, monossacarídeo) e com um ácido fosfórico, geralmente o fosfato, para formar um nucleotídeo, principal base para formar Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 93 cadeias polinucleotídeas que, por sua vez, formam o ADN (ácido desoxirribonucléico). Imagem: Estrutura Geométrica da Guanina. Fonte: Bioquimica Citosina Citosina é uma fibra orgânica que constitui boa parte do citoplasma das células vivas, formando o chamado citoesqueleto. É uma substância cristalina, uma base nitrogenada, derivada do aminado da pirimidina cuja fórmula é a seguinte: C4H5N3O. É uma das bases que compõem o código genético. Imagem: Estrutura Geométrica da Citosina. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 94 Fonte: Bioquimica Uracilo O Uracilo ou uracila é uma base nitrogenada. É representada pela letra U no código genético. Substitui a timina na transcrição do ADN para ARN e é, portanto, complementar à adenina. Imagem: Estrutura Geométrica de Uracilo. Fonte: Bioquimica Sumário A estrutura espacial do ácido desoxirribonucleico, é uma dupla hélice descrita pelos cientístas James Watson e Francis Crick, em 1953. Francis Crick e Maurice Wilkins, mostraram que a estrutura do DNA era em forma de dupla hélice. Em paralelo, propuseram o possível papel da estrutura assim, apresentada no processo de replicação. A molécula de DNA é constituída por uma sequência de nucleotídeos, que por sua vez é formado por três diferentes tipos de moléculas: um grupo fosfato (ácido fosfórico); um açúcar (pentose) e uma base nitrogenada (base azotada). O sentido da dupla fita de DNA é Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 95 orientada pelas ligações entre as três moléculas constituintes dos nucleotídeos. A ligação entre o grupo fosfato e a pentose é feita através de uma ligação fosfoéster com a hidroxila ligada ao carbono-5 da pentose. Para a formação da molécula de DNA é necessário que ocorra a ligação entre os nucleotídeos. Os nucleotídeos estão ligados covalentemente por ligações fosfodiéster formando entre si pontes de fosfato. A ligação entre a base nitrogenada e a pentose é feita covalentemente através de uma ligação N-glicosídica com a hidroxila ligada ao carbono-1 da pentose. Os carbonos da desoxirribose são enumerados sequencialmente começando da direita para a esquerda. As bases azotadas: a adenina, a timina, portanto, as outras moléculas (guanina, citosina e adenina) também fazem parte do ácido ribonucléico. Nela, a timina é substituída pelo uracilo, Guanina e Citosina. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 96 Exercícios 1. A molécula de DNA é constituídapor uma sequência de nucleotídeos, que por sua vez é formado por três diferentes tipos de moléculas. Quais são? R: Um grupo fosfato (ácido fosfórico); Um açúcar (pentose); Uma base nitrogenada (base azotada). 2. Explique como é feita a ligação entre o Grupo Fosfato e a Pentose. R: Esta ligação é feita através de uma ligação fosfoéster com a hidroxila ligada ao carbono-5 da pentose. Para a formação da molécula de DNA é necessário que ocorra a ligação entre os nucleotídeos. Os nucleotídeos estão ligados covalentemente por ligações fosfodiéster formando entre si pontes de fosfato. O grupo hidroxila do carbono-3 da pentose do primeiro nucleotídeo se liga ao grupo fosfato ligado a hidroxila do carbono-5 da pentose do segundo nucleotídeo através de uma ligação fosfodiéster. Devido a esta formação a cadeia de DNA fica com uma direção determinada, isto é, em uma extremidade temos livre a hidroxila do carbono-5 da primeira pentose e na outra temos livre a hidroxila do carbono-3 da última pentose.Isto determina que o crescimento do DNA se faça na direção de 5' para 3'. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 97 Características Gerais do Ácido Desoxirribonucleico Introdução Prezado estudante, seja bem vindo ao estudo das características gerais de ácido desoxirribonucleico. O ADN é um longo polímero de unidades simples de nucleotídeos, cujo cerne é formado por açúcares e fosfato intercalados unidos por ligações fosfodiéster. Portanto, está convidado para uma discussão sobre as características gerais de ácido desoxirribonucleico. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Analisar as características gerais de ácido desoxirribonucleico; Interpretar as características gerais de ácido desoxirribonucleico; Explicar as características gerais de ácido desoxirribonucleico; Descrever as propriedades físicas e químicas de ácido desoxirribonucleico; Compreender as propriedades físicas e químicas de ácido desoxirribonucleico. Características Gerais do Ácido Desoxirribonucleico Numa análise química, o ADN é um longo polímero de unidades simples (monômeros) de nucleotídeos, cujo cerne é formado por açúcares e fosfato intercalados unidos por ligações fosfodiéster. Ligadas à molécula de açúcar está uma de quatro bases nitrogenadas. No entanto, é a sequência dessas bases ao longo da molécula de ADN que carrega a informação genética. A leitura destas sequências é feita Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 98 através do código genético, o qual especifica a sequência linear dos aminoácidos das proteínas. Imagem: Sentido Anti-paralelas das fitas de ADN. Fonte: Internet Ainda com base nestes estudos, concluiu-se que na dupla hélice as duas fitas de DNA estão em direcção opostas (são anti-paralelas). O termo anti-paralelas deve-se ao facto de que uma das fitas tem a direcção exacta da sua síntese (5'→3') enquanto que a outra está invertida (3'→5'). Esta conformação em fitas anti-paralelas levará à necessidade de mecanismos especiais para a replicação do DNA. Com base na estrutura de dupla hélice do DNA e nas características hidrofóbicas das moléculas, a estrutura do DNA fica da seguinte forma: Grupo fosfato e o açúcar (parte hidrofílica): estão localizados na parte externa da molécula; As bases nitrogenadas (parte hidrofóbica): estão localizadas na parte interna da molécula; A relação espacial entre as duas fitas cria um sulco principal e um sulco secundário; Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 99 Pareamento das bases de cada fita se dá de maneira padronizada (uma purina com uma pirimidina), especificamente: adenina com timina e citosina com guanine; A proximidade destas bases possibilita a formação de pontes de hidrogênio (adenina forma duas pontes de hidrogênio com a timina e a citosina forma três pontes com a guanine). A dupla hélice é mantida unida por duas forças: Por pontes de hidrogênio formadas pelas bases complementares; Por interações hidrofóbicas, que forçam as bases a se "esconderem" dentro da dupla hélice. Estudos recentes mostram que existem várias formas de DNA. Mas no entanto, somente destacam-se: duas formas de DNA com a hélice girando para a direita, chamadas A-DNA e B-DNA, e uma forma que gira para a esquerda chamada Z-DNA. A diferença entre as duas formas que giram para a direita está na distância necessária para fazer uma volta completa da hélice e no ângulo que as bases fazem com o eixo da hélice: Propriedades Físicas e Químicas de DNA Soluções de DNA (em pH = 7,0), a temperatura ambiente, são altamente viscosas; A altas temperaturas ou pH extremos o DNA sofre desnaturação, porque ocorre ruptura das pontes de hidrogênio entre os pares de bases. Esta desnaturação faz com que diminua a viscosidade da solução de DNA; Durante a desnaturação nenhuma ligação covalente é desfeita, ficando portanto as duas fitas de DNA separadas; Quando o pH e a temperatura voltam ao normal, as duas fitas de DNA espontaneamente se enrolam formando novamente o DNA dupla fita. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 100 Esta última propriedade envolve duas etapas: A primeira: é mais lenta pois envolve o encontro casual das fitas complementares de DNA, formando um curto segmento de dupla hélice; A Segunda: etapa é mais rápida e envolve a formação das pontes de hidrogênio entre as bases complementares reconstruindo a conformação tridimensional. Sumário Numa análise química, o ADN é um longo polímero de unidades simples de nucleotídeos, cujo cerne é formado por açúcares e fosfato intercalados unidos por ligações fosfodiéster. Ligadas à molécula de açúcar está uma de quatro bases nitrogenadas. No entanto, é a sequência dessas bases ao longo da molécula de ADN que carrega a informação genética. A leitura destas sequências é feita através do código genético, o qual especifica a sequência linear dos aminoácidos das proteínas. Ainda com base nestes estudos, concluiu-se que na dupla hélice as duas fitas de DNA estão em direcção opostas (são anti- paralelas). O termo anti-paralelas deve-se ao facto de que uma das fitas tem a direcção exacta da sua síntese (5'→3') enquanto que a outra está invertida (3'→5'). Esta conformação em fitas anti-paralelas levará à necessidade de mecanismos especiais para a replicação do DNA. Estudos recentes mostram que existem várias formas de DNA. Mas no entanto, somente destacam-se: duas formas de DNA com a hélice girando para a direita, chamadas A-DNA e B-DNA, e uma forma que gira para a esquerda chamada Z-DNA. Sobre as propriedades físicas e químicas de DNA, Soluções de DNA (em pH = 7,0), a temperatura ambiente, são Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 101 altamente viscosas; A altas temperaturas ou pH extremos o DNA sofre desnaturação, Durante a desnaturação nenhuma ligação covalente é desfeita, ficando portanto as duas fitas de DNA separadas; Quando o pH e a temperatura voltam ao normal, as duas fitas de DNA espontaneamente se enrolam formando novamente o DNA dupla fita. Exercícios 1. Qual é o significado do termo anti-paralelo? R: O termo anti-paralelas deve-se ao facto de que uma das fitas tem a direcção exacta da sua síntese (5'→3') enquanto que a outra está invertida (3'→5').2. Tendo em conta a base na estrutura de dupla hélice do DNA e nas características hidrofóbicas das moléculas, como e que fica a estrutura do DNA? R: Grupo fosfato e o açúcar (parte hidrofílica): estão localizados na parte externa da molécula; As bases nitrogenadas (parte hidrofóbica): estão localizadas na parte interna da molécula; A relação espacial entre as duas fitas cria um sulco principal e um sulco secundário; Pareamento das bases de cada fita se dá de maneira padronizada (uma purina com uma pirimidina), especificamente: adenina com timina e citosina com guanine; A proximidade destas bases possibilita a formação de pontes de hidrogênio (adenina forma duas pontes de hidrogênio com a timina e a citosina forma três pontes com a guanine). 3. Como é que a dupla hélice é mantida unida? R: Por duas forças: por pontes de hidrogênio formadas pelas bases complementares e por interações hidrofóbicas, que forçam as bases a se "esconderem" dentro da dupla hélice. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 102 Replicação do DNA Introdução Prezado estudante, seja bem vindo ao estudo do fenómeno da replicação. A replicação do DNA é o processo de auto-duplicação do material genético, mantendo o padrão herreditário ao longo de várias gerações numa determinada espécie de seres vivos. Portanto, está convidado para uma discussão activa sobre o tema proposto nesta unidade, sendo necessário usar todo conhecimento que dispõe sobre a matéria. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Definir o conceito de replicação; Descrever o fenómeno da replicação; Distinguir as diferentes etapas da replicação; Relacionar as diferentes etapas da replicação; Fazer esquema do fenómeno da replicação. O Fenómeno da Replicação A replicação do DNA é o processo de auto-duplicação do material genético ou seja a duplicação da molécula de DNA, mantendo o padrão herreditário ao longo de várias gerações numa determinada espécie de seres vivos. Sobre o fenómeno da replicação há duas teorias que tentaram explicar este processo: Teoria conservativa: cada fita do DNA sofre duplicação e as fitas formadas sofrem pareamento resultando num novo DNA dupla fita, sem a participação das fitas "parentais" (fita nova com fita nova formam uma dupla hélice e fita velha com fita velha formam a outra dupla fita); Teoria semi-conservativa: cada fita do DNA é duplicada formando uma fita híbrida, ou seja, a fita velha pareia com a fita nova formando um novo DNA. Entretanto, Segundo esta teoria, de uma molécula de DNA formam-se duas outras iguais a ela. Cada DNA recém formado Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 103 possui uma das cadeias da molécula mãe, daí o nome semi- conservativa. Imagem: Fenómenos de Replicação, Transcrição e Tradução. Fonte:Internet Durante a replicação As pontes de hidrogénio que mantêm a dupla cadeia desnaturam-se para que cada uma das cadeias simples possa servir de "forma" ou molde (template em inglês) ao longo da qual vai ser sintetizada, no sentido 5' → 3', uma cadeia complementar. A replicação do DNA envolve várias actividades enzimáticas: A polimerase do DNA propriamente dita: que reconhece em cada posição o nucleótido da cadeia-molde, selecciona o dNTP que lhe deve ser complementar, e cataliza a condensação com a cadeia complementar já formada; A exonuclease 3': que rectifica eventuais erros de emparelhamento imediatamente após a integração de um novo resíduo nucleotídico, permitindo a integração do nucleótido correcto; Diversas helicases: necessárias à desnaturação da cadeia dupla (que perde o seu carácter helicoidal, daí o nome que lhes é atribuído); Replicação DNA mRN A Tradução- Síntese de Proteínas Transcrição- Síntese de RNA Proteína Ribossoma Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 104 A primase: que inicia a síntese das novas cadeias complementares em vários pontos da cadeia-molde; A exonuclease 5': que promove a continuidade entre os fragmentos sintetizados, resintetizando-os, contribuindo também para a correcção de erros de emparelhamento. Estas actividades são complementadas por ligases, que completam a continuidade das ligações éster das cadeias recém-sintetizadas, por topoisomerases necessárias ao alívio da tensão torcional resultante da abertura da dupla cadeia, e por sistemas de reparação suplementares, que ultimam a correcção de erros na síntese das novas cadeias, fazendo com que a probabilidade de se incorporarem mutações por erros de replicação atinja níveis muito baixos (que nos eucariotas se cifra na ordem dos 10–11 por par nucleotídico, em cada ciclo celular). Quando se dá o início da fase S do ciclo celular (cromossomas), formam-se diversas origens de replicação (ori) distribuídas por todo o genoma. Portanto, trata-se de segmentos do DNA aos quais se ligam certas helicases, resultando a chamada "bolha" de replicação. Uma vez separadas as duas cadeias complementares, podem emparelhar com os nucleótidos das novas cadeias a sintetizar. É nesta situação que dois complexos enzimáticos de replicação, um por cada extremo da "bolha", se ligam ao DNA e iniciam a sua actividade. O processo de replicação dura até que as sucessivas frentes de síntese do DNA se reunam, altura em que existem dois cromatídeos por cromossoma e se transita para a fase G2 do ciclo celular. Reconhecimento Molecular: As origens de replicação dos cromossomas eucarióticos são especificamente reconhecidas pela proteína que interage primeiro com elas, uma helicase. Esse reconhecimento faz-se através de grupos funcionais nos pares R:Y que ficam de um lado e de outro das duas Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 105 cadeias polifosfato-desoxirribose, isto é, ao longo dos dois "sulcos" acessíveis. Cada par de Watson-Crick apresenta um padrão único de interacções possíveis nesses sulcos, de pontes de hidrogénio nomeadamente, e é da sucessão de pares nucleotídicos que resulta o padrão molecular especificamente reconhecido por proteínas como a helicase. Por isso cada tipo de proteínas que interagem com o DNA deve "encaixar" com uma sequência (ou grupo de sequências) de pares nucleotídicos, específica para esse tipo; representam-se essas sequências de forma simplificada pelas letras dos nucleótidos (A, G, T, C) numa das cadeias do DNA apenas. É como se o DNA fosse um "texto" construído sobre um alfabeto destas quatro letras; por exemplo, para iniciar a "leitura" do DNA a ser replicado, há uma "palavra- chave" que só é reconhecida pelas helicases responsáveis pela formação de "forquilhas" de replicação: todas as origens de replicação terão de conter uma "palavra-chave" apropriada, e só após estar realizado este reconhecimento molecular. Repetitividade das Sequências: Os genomas eucariotas podem ser divididos em três classes de sequências, segundo a ordem de grandeza da sua repetitividade, ou seja, segundo o número de vezes que aparecem repetidas no genoma haplóide. A proporção relativa das três classes varia bastante de genoma para genoma. A classe mais altamente repetitiva, embora pareça não ter função pois não contém genes, é de grande utilidade para o mapeamento cromossómico (mapas físicos-QTLs). Repetitividade Tipos de sequências 105 – 106 cópias/ genoma Satélites, retro-elementos 102 – 104 cópias/ genoma rDNA, tDNA, genes das histonas 1 – 10 cópias/ genoma Restantes genes (genes com mRNA poli-A+)Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 106 A classe intermédia é formada pelos genes que são mais intensamente expressos nas células: os do RNA ribossomal (rRNA) e do RNA de transferência (tRNA) envolvidos na "maquinaria" de tradução dos diversos mRNA em todas as células, e os genes das histonas - que só se expressam quando na fase S a célula "interrompe" outras funções para a duplicação dos cromossomas. As sequências menos repetitivas são precisamente aquelas que correspondem aos genes específicos de cada função, uns envolvidos em processos comuns a diversos tipos celulares (caso dos enzimas envolvidos na replicação do DNA), outros em processos restritos a certas células ou a certas circunstâncias (por exemplo na síntese de proteínas de reserva no endosperma das sementes, produção dos enzimas de bio-síntese da cutícula das folhas). Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 107 Sumário Numa análise química, o ADN é um longo polímero de unidades simples de nucleotídeos, cujo cerne é formado por açúcares e fosfato intercalados unidos por ligações fosfodiéster. Ligadas à molécula de açúcar está uma de quatro bases nitrogenadas. No entanto, é a sequência dessas bases ao longo da molécula de ADN que carrega a informação genética. A leitura destas sequências é feita através do código genético, o qual especifica a sequência linear dos aminoácidos das proteínas. Ainda com base nestes estudos, concluiu-se que na dupla hélice as duas fitas de DNA estão em direcção opostas (são anti- paralelas). O termo anti-paralelas deve-se ao facto de que uma das fitas tem a direcção exacta da sua síntese (5'→3') enquanto que a outra está invertida (3'→5'). Esta conformação em fitas anti-paralelas levará à necessidade de mecanismos especiais para a replicação do DNA. Estudos recentes mostram que existem várias formas de DNA. Mas no entanto, somente destacam-se: duas formas de DNA com a hélice girando para a direita, chamadas A-DNA e B-DNA, e uma forma que gira para a esquerda chamada Z-DNA. Sobre as propriedades físicas e químicas de DNA, Soluções de DNA (em pH = 7,0), a temperatura ambiente, são altamente viscosas; A altas temperaturas ou pH extremos o DNA sofre desnaturação, Durante a desnaturação nenhuma ligação covalente é desfeita, ficando portanto as duas fitas de DNA separadas; Quando o pH e a temperatura voltam ao normal, as duas fitas de DNA espontaneamente se enrolam formando novamente o DNA dupla fita. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 108 Exercícios 1. Qual é o significado do termo anti-paralelo? R: O termo anti-paralelas deve-se ao facto de que uma das fitas tem a direcção exacta da sua síntese (5'→3') enquanto que a outra está invertida (3'→5'). 2. Tendo em conta a base na estrutura de dupla hélice do DNA e nas características hidrofóbicas das moléculas, como e que fica a estrutura do DNA? R: Grupo fosfato e o açúcar (parte hidrofílica): estão localizados na parte externa da molécula; As bases nitrogenadas (parte hidrofóbica): estão localizadas na parte interna da molécula; A relação espacial entre as duas fitas cria um sulco principal e um sulco secundário; Pareamento das bases de cada fita se dá de maneira padronizada (uma purina com uma pirimidina), especificamente: adenina com timina e citosina com guanine; A proximidade destas bases possibilita a formação de pontes de hidrogênio (adenina forma duas pontes de hidrogênio com a timina e a citosina forma três pontes com a guanine). 3. Como é que a dupla hélice é mantida unida? R: Por duas forças: por pontes de hidrogênio formadas pelas bases complementares e por interações hidrofóbicas, que forçam as bases a se "esconderem" dentro da dupla hélice. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 109 Expressao genica; Transcrição, Código genético, Tradução Introdução Prezado estudante, seja bem vindo ao estudo do fenómeno da transcrição. A transcrição ocorre no interior do núcleo das células e consiste na síntese de uma molécula de ARN mensageiro a partir da leitura da informação contida numa molécula de DNA. Portanto, está convidado para uma discussão activa sobre o tema proposto nesta unidade. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Definir o conceito de transcrição; Descrever o fenómeno da transcrição; Distinguir as diferentes etapas da transcrição; Relacionar as diferentes etapas da transcrição; Fazer esquema do fenómeno da transcrição. Como o genótipo se expressa em fenótipo? Mecanismo de expressão dos genes Muito resumidamente explicar-se-á como os genes realizam as suas funções fenotípicas, isto é, como os genes exercem os seus efeitos no fenótipo de um vírus, de uma célula ou de um organismo. Todos os genes de um organismo estão localizados nas mesmas células e núcleos. Eles não funcionam independentemente. O fenótipo final de um organismo é o produto da acção dos genes e as suas interacções com o meio ambiente. Assim, o mecanismo de expressão dos genes ou o Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 110 fluxo de informação do gene para o efeito final ou fenótipo é frequentemente muito complexa. A informação guardada na forma de sequência de pares de nucleótidos em um gene, na molécula de DNA, é transferida por um processo de TRANSCRIÇÃO para um intermediário – uma molécula de RNA-m (ácido ribonucleico menssageiro), cadeia simples de nucleótidos que transporta a informação dos genes, nos cromossomas para o local onde se sintetizam as proteínas – os ribossomas situados no citoplasma. A sequência nucleotídica das moléculas de RNA-m é traduzida em sequência de aminoácidos através do processo de TRADUÇÃO no qual o CÓDIGO GENÉTICO é fundamental. Os produtos proteicos dos genes que são enzimas e proteínas estruturais, controlam os processos metabólicos que ocorrem na célula. As proteínas são compostas por um ou mais polipeptídeos, sendo cada espécie de polipeptídeo codificado por um gene. Cada polipeptídeo consiste em uma sequência grande de aminoácidos ligados por ligações peptídicas. Vinte aminoácidos diferentes são normalmente encontrados em proteínas naturais. A síntese proteica a partir da informação do DNA envolve: 1- A TRANSCRIÇÃO, que é a transferência de informação genética do DNA para o RNA; 2- A TRADUÇÃO que é a transferência da informação do DNA para proteína. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 111 Transcrição Em organismos eucarióticos, os genes cromossómicos, constituidos por DNA, estão contidos nos núcleos das células, enquanto que as proteínas são sintetizadas no citoplasma. Portanto, o DNA não pode servir directamente de molde para a síntese proteica. Uma fita de DNA é usada como molde para a síntese de uma cadeia complementar de RNA, chamada RNA-menssageiro (RNAm) em um processo denominado TRANSCRIÇÃO. A os filamentos da dupla cadeia de DNA transcritos de 2 genes diferentes não são sempre os mesmos, mesmo quando os genes são adjacentes. Entretanto, para um dado gene apenas um dos filamentos é transcrito. O RNA-m transporta então a informação genética do local onde ele foi sintetizado (núcleo) para o local de síntese proteica (os ribossomas, no citoplasma). A transcrição para a síntese de RNAm e para a síntese de outras moléculas de RNA é catalizada por enzimasdenominadas RNA polimerases. A síntese dos outros tipos de RNA (de transferência e ribossómico) também exige uma transcrição do DNA mas quando se utiliza o termo transcrição refere-se á síntese de RNAm. O mecanismo de síntese do RNA é análogo ao da síntese de DNA com excepção de: Os percursores são ribonucleosídeos triofosfato, Apenas segmentos limitados de uma das cadeias simples de DNA são copiados, O RNA é libertado do molde á medida que vai sendo sintetizado. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 112 A extensão covalente ocorre como na síntese de DNA pela adição de mononucleotídeos na extremidade 3’ da cadeia com a libertação do pirofosfato. Fig. 3.1. Representação da Transcrição Considere a seguinte tradução do espanhol para o protuguês: RNA polimerasa = Rna polimerase Cadena molde = cadeia molde Cadena inactiva (no transcripta) = cadeia inactiva (não transcrita) Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 113 O Fenómeno da Transcrição A transcrição ocorre no interior do núcleo das células e consiste na síntese de uma molécula de ARN mensageiro a partir da leitura da informação contida numa molécula de DNA. Esse ARN formado é o ARNm, que tem como função "informar" ao ARNt a ordem correcta dos aminoácidos a serem sintetizados em proteínas. O processo é catalisado pela enzima RNA-polimerase. Os factores de transcrição (auxiliares da RNA-polomerase) são responsáveis por romper as pontes de hidrogênio entre as bases nitrogenadas dos dois filamentos de DNA, como se fosse um zíper. A partir deste momento, a enzima escolhe uma das fitas de ADN como molde para se construir o ARNm, ligando bases nitrogenadas de ARN (adenina, citosina, uracila e guanina) à essa fita de ADN. Ao se concluir essas ligações, o processo está completo. A enzima destaca o filamento de ARN formado a partir do ADN, e volta a unir as duas fitas de ADN. Para a ligaçao entre a ARN-polimerase acontecer são necessários factores de transcrição ou (TF) em células eucarióticas. Já homologamente aos factores de transcrição, em células procarióticas existem os chamados factores sigma. Imagem: O Fenómeno da Transcrição. Fonte: Manual de BCM Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 114 Exemplos: DN A ...ATC GGC TAG CTA GCG TAG CGA TGC AAA TTT AAA TAT ATG... RN Am ...UAG CCG AUC GAU CGC AUC GCU ACG UUU AAA UUU AUA UAC... Cod ões ...[UAG][CCG][AUC][GAU][CGC][AUC][GCU][ACG][UUU][ AAA][UUU][AUA][UAC]... Factor Sigma: O factor sigma é responsável pelo reconhecimento da ARN-polimerase pela região promotora. O factor sigma é uma proteína móvel que encontra-se nas bactérias, e sua função é ajudar ao reconhecimento do promotor (primer) para começar o processo de transcrição. O RNA - polimerase, inicia a síntese de uma molécula de mRNA de acordo com a complementaridade das bases azotadas. Se, por exemplo, na cadeia do DNA o nucleotídeo for a adenina (A), o RNA-polimerase liga o mRNA ao nucleótido uracila (U). Quando a leitura termina, a molécula mRNA separa-se da cadeia do DNA, e esta restabelece as pontes de hidrogênio e a dupla hélice é reconstituída. Mas nem todas as sequências da molécula do DNA codificam aminoácidos. Ao RNA sintetizado sofre um processamento ou maturação antes de abandonar o núcleo. Algumas porções do RNA transcrito, vão ser removidas-íntrons e as porções não removidas- éxons, ligam-se entre si, formando assim um mRNA maduro (final). O RNA que sofre este processo de exclusão de porções, é designado de RNA pré-mensageiro. No final do processo, o mRNA é constituído apenas pelas sequências que codificam os aminoácidos de uma proteína, podendo assim migrar para o citoplasma, onde vai ocorrer a tradução da mensagem, isto é, a síntese de proteínas. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 115 Sumário A transcrição ocorre no interior do núcleo das células e consiste na síntese de uma molécula de ARN mensageiro a partir da leitura da informação contida numa molécula de DNA. O ARNm, tem como função "informar" ao ARNt a ordem correcta dos aminoácidos a serem sintetizados em proteínas. O processo é catalisado pela enzima RNA- polimerase. Os factores de transcrição são responsáveis por romper as pontes de hidrogênio entre as bases nitrogenadas dos dois filamentos de DNA, como se fosse um zíper. A partir deste momento, a enzima escolhe uma das fitas de ADN como molde para se construir o ARNm, ligando bases nitrogenadas de ARN (adenina, citosina, uracila e guanina) à essa fita de ADN. Ao se concluir essas ligações, o processo está completo. O factor sigma é responsável pelo reconhecimento da ARN-polimerase pela região promotora. O factor sigma é uma proteína móvel que encontra-se nas bactérias, e sua função é ajudar ao reconhecimento do promotor (primer) para começar o processo de transcrição. O RNA - polimerase, inicia a síntese de uma molécula de mRNA de acordo com a complementaridade das bases azotadas. Se, por exemplo, na cadeia do DNA o nucleotídeo for a adenina (A), o RNA-polimerase liga o mRNA ao nucleótido uracila (U). O RNA sintetizado sofre um processamento ou maturação antes de abandonar o núcleo. Algumas porções do RNA transcrito, vão ser removidas-íntrons e as porções não removidas- éxons, ligam-se entre si, formando assim um mRNA maduro (final). Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 116 Exercícios 1. Em que espaco celular ocorre a transcrição e em que consiste? R: A transcrição ocorre no interior do núcleo das células e consiste na síntese de uma molécula de ARN mensageiro a partir da leitura da informação contida numa molécula de DNA. 2. Qual é a função de ARNm? R: Tem como função informar ao ARNt a ordem correcta dos aminoácidos a serem sintetizados em proteínas. 3. Qual é a função da enzima RNA-polimerase? R: A enzima RNA-polimerase catalisa pela. Os factores de transcrição (auxiliares da RNA- polomerase) são responsáveis por romper as pontes de hidrogênio entre as bases nitrogenadas dos dois filamentos de DNA, como se fosse um zíper. 4. Qual é a importância do factor sigma? R: É responsável pelo reconhecimento da ARN- polimerase pela região promotora. O factor sigma é uma proteína móvel que encontra-se nas bactérias, e sua função é ajudar ao reconhecimento do promotor (primer) para começar o processo de transcrição. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 117 CÓDIGO GENÉTICO Definição de código genético Sabe-se que o DNA, que se encontra no núcleo, tem a função de produzir proteínas cuja síntese ocorre no núcleo. O DNA é uma sequência de nucleotídeos e que existem apenas quatro tipos diferentes de nucleotídeos: os nucleotídeos da adenina, da guanina, de timina e da citosina. Por outro lado, as proteínas são polímero de subunidades (monômeros) denominadas de aminoácidos. Cada aminoácido engloba um grupo amino (-NH2) numa extremidade e um grupo carboxila (- COOH) na outra. Vinte tipos diferentes de aminoácidos ocorrem nas proteínas. Diante do exposto surge a seguinte pergunta: quantos nucleotídeos seriam necessários para codificar um aminoácido? Para responder a esta perguntas é necessário o seguinte raciocínio matemático: — Se 1 nucleotídeo codificasse um aminoácido só poderia existir 4 diferentes tiposde aminoácidos na cadeia protéica. — Se 2 nucleotídeos codificassem um aminoácido só poderia existir 16 tipos de aminoácidos diferentes na cadeia protéica. — Se 3 nucleotídeos codificassem um aminoácido seria possível existir 64 tipos diferentes de aminoácidos na cadeia protéica logo, por matemática, um código tríplice é a menor unidade de codificação capaz de acomodar os 20 diferentes tipos de aminoácidos que comumente ocorrem nas proteínas. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 118 Um grupo de três nucleotídeos adjacentes (tripleto), no RNA-m que codificam um aminoácido ou terminação de cadeia é denominado codão. Dois codões AUG e GUG são reconhecidos pelo RNA-t de iniciação quando seguem uma determinada sequência nucleotídica no RNA-m. Nas posições internas AUG é reconhecido como Metionina e GUG é reconhecido pelo RNA-t para Valina. 3.2.2. Características do código genético: O código genético é redundante ou degenerado O código genético é dito degenerado pelo fato de existir, para um determinado aminoácido, mais de um tripleto para codificá-lo. Apenas a Metionina (Met) e o Triptofano (Trp) são codificados por um único codão, representados por AUG e UGG, respectivamente. A Glicina (GLY), por exemplo, é codificada por GGG, GGC, GGA e GGU. O código genético prevê a “pontuação” O código genético prevê a pontuação da informação ao nível da tradução. Três codões: UAA, UGA, UAG informam para a terminação das cadeias polipeptídicas. Esses codões são reconhecidos por proteínas específicas denominadas factores de liberação e não pelos RNA-t. O código genético é universal O código genético é igual ou muito próximo em todos os organismos, isto é, ele é amplamente universal. A excepção principal á Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 119 universalidade do código ocorre nas mitocôndrias do Homem e muitas outras espécies em que UGA significa Triptofano. Na mitocôndria das leveduras CUA especifica Treonina ao invés de Leucina. Em mitocôndrias de mamíferos AUA especifica Metionina em vez de Isoleucina. Excluindo estas excepções o código genético é universal. Tabela 2. Decifração do código genético Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 120 O Fenómeno da Tradução Introdução Prezado estudante, seja bem vindo ao estudo do fenómeno da tradução. A tradução é feita por um RNA mensageiro que copia parte da cadeia de ADN por um processo chamado transcrição e posteriormente a informação contida neste é traduzida em proteínas pela tradução. Portanto, está convidado para uma discussão activa sobre o tema proposto nesta unidade. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Definir o conceito de tradução; Descrever o fenómeno da tradução; Distinguir as diferentes etapas da tradução; Relacionar as diferentes etapas da tradução; Fazer esquema do fenómeno da tradução. 3.3. TRADUÇÃO Síntese de proteínas Tradução é o processo pelo qual a informação que foi transcrita para o RNAm é traduzida, segundo o código genético, em uma sequência de aminoácidos. O processo é complexo e requer as funções de um grande número de macromoléculas: Aproximadamente 50 polipeptídeos e de 3 a 5 moléculas de RNAr, fazem parte da estrutura dos ribossoma; Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 121 Pelo menos 20 enzimas activadoras de aminoácidos (aminoacil- RNAt sintetases); Entre 40 a 60 moléculas diferentes de RNAt que funcionam como adaptadores, mediando a incorporação de aminoácidos apropriados em resposta a codões específicos do RNA-m; Pelo menos 9 proteínas envolvidas na iniciação, alongamento e terminação da cadeia polipeptídica. Os ribossomas podem ser considerados mesas completas de trabalho com as maquinarias e ferramentas necessárias para fazer um polipeptídeo. Em Procariota os ribossomas estão distribuídos por toda a célula, em Eucariota eles estão localizados no citoplasma e/ou fixos a uma rede de membranas – o retículo endoplasmático. O Fenómeno da Tradução A tradução é feita por um RNA mensageiro que copia parte da cadeia de ADN por um processo chamado transcrição e posteriormente a informação contida neste é "traduzida" em proteínas pela tradução. Embora a maioria do ARN produzido seja usado na síntese de proteínas, algum ARN tem função estrutural, como por exemplo o ARN ribossômico, que faz parte da constituição dos ribossomas. Dentro da célula, o ADN é organizado numa estrutura chamada cromossoma e o conjunto de cromossomas de uma célula forma o cariótipo. Antes da divisão celular os cromossomas são duplicados através de um processo chamado replicação. Eucariontes como animais, plantas e fungos têm o seu ADN dentro do núcleo enquanto que procariontes como as bactérias o tem disperso no citoplasma. Dentro dos cromossomas, proteínas da cromatina como as histonas compactam e organizam o ADN. Estas estruturas compactas guiam as interacções entre o ADN e outras proteínas, ajudando a controlar que partes do ADN são transcritas. O ADN é responsável pela transmissão das Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 122 características hereditárias de cada espécie de ser vivo. O RNA é uma molécula de extrema importância para o funcionamento da célula. Ele cuida para que as ordens dadas pelo DNA, o comandante da célula, sejam cumpridas. Como o DNA, o RNA também é um ácido nucléico composto de longas cadeias de unidades repetidas de nucleotídeos, que são formados por três elementos químicos: o fosfato, a pentose e uma base nitrogenada. O RNA tem como função promover a síntese de proteínas. Existem vinte aminoácidos diferentes e são possíveis 64 combinações de bases (61 delas codificam os 20 aminoácidos e três indicam o término da síntese da proteína). A chamada tradução, pois é o momento em que a mensagem enviada pelo DNA será finalmente traduzida. O RNAm se liga à subunidade menor do ribossomo. Este terá a função de ler a mensagem do RNAm, promovendo a união dos aminoácidos. O ribossomo se desloca sobre o RNAm, enquanto as ligações peptídicas (ligações entre os aminoácidos) vão se formando até encontrar os códigos de término (UAG, UAA ou AGA), que determinam o fim da síntese. Imagem: O Fenómeno da Tradução. Fonte: Internet Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 123 Células Procarióticas e Eucarióticas Nas células eucarióticas (que possuem envoltório nuclear), como as células animais, a síntese de proteínas se divide em duas etapas bem marcadas e em compartimentos diferentes: a transcrição ocorre no núcleo e a tradução, no citoplasma. Nas células procarióticas (sem envoltório nuclear), como as bactérias, a transcrição e a tradução ocorrem livremente no citoplasma, chegando a acontecer simultaneamente. Antes que a transcrição do RNAm termine, inicia-se a tradução da proteína. Ocorre no citoplasma (segunda parte da síntese protéica) e consiste apenas da leitura que o ARNm do núcleo, da qual representa uma sequência de aminoácidos, que constituí a proteína. Neste processo intervêm: ARNm, que vem do interior do núcleo; Os ribossomas; O ARNt (transferência); Enzimas (responsáveis pelo controle das reacções de síntese); E o ATP, é o que fornece energia necessária para o processo. 3.3.1. Estrutura e funções do RNA menssageiro e RNA de transferência ou transportadorDenomina-se RNA mensageiro (RNAm), o RNA transcrito a partir de uma sequência de nucleótidos do DNA, capaz de codificar uma determinada sequência de aminoácidos ( uma proteína). Para que o RNA sirva de molde para a síntese de proteínas, é necessário um descodificador ou molécula adaptadora capaz de "ler" o código genético. Esta molécula é um RNA especial, o RNA transportador (RNAt) cuja cadeia polinucleotídica varia de 75 a 85 nucleotídos e apresenta uma estrutura secundária peculiar na forma de trevo, ilustrada na Figura 3.1. É interessante notar que há um pareamento Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 124 interno entre as bases desta fita simples formando hastes que sustentam alças onde se encontram as sequências de nucleótidos não emparelhadas. Alguns nucleótidos apresentam bases modificadas. A modificação das bases ocorre após a síntese do RNAt. Fig. 3.1 - A) Estrutura secundária de um tRNA. As posições do anti-códon e do braço receptor de aminoácido estão indicadas. B) Estrutura tridimensional determinada por difração de Raio X. Estas estruturas de haste e haste/alças são os braços da molécula: Braço aceitador ou receptor - haste que termina numa sequência, não emparelhada, CCA-3'OH na qual se ligará o aminoácido específico deste RNA-t. Braço do anti-codão - encontrado na posição oposta do braço receptor, contém um tripleto central de nucleotídios específica para cada tipo de RNAt a qual reconhece o tripleto complementar no RNA- m. O tripleto do RNA-m é denominada codão e o do RNA-t é denominada anti-codão. Cada codão é um tripleto de nucleotídios que corresponde a um único tipo de aminoácido. Alguns códons não correspondem a nenhum aminoácido. Estes são chamados códons de terminação. O códon AUG especifica Metionina que geralmente inicia a síntese protéica (veja o Código Genético na página anterior). Tal sistema de Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 125 descodificação permite que um RNAm seja utilizado como molde para a síntese de um polipeptídio. Os aminoácidos são ligados ao RNAt por ligações de alta energia. A ligação é feita entre os grupos carboxila dos aminoácidos e as terminais hidroxila 3’ dos RNA-t, formando-se aminoacil – RNA-t. Esses aminoacil – RNA-t reactivos são formados por um processo de duas etapas ambas sendo catalizadas por uma enzima activadora específica de aminoacil-RNA-t sintetase. Deve existir pelo menos uma aminoacil-sintetase para cada aminoácido. 3.3.2. Sintese do Aminoacil – RNA-t Primeira etapa – Activação do aminoácido usando energia do ATP Aminoácido + ATP Aminoácido ~ AMP + P~ P O intermediário Aminoácido ~ AMP não é liberado da enzima antes que sofra a segunda etapa da síntese, a reacção com o RNA-t específico: Aminoácido ~ AMP + RNA-t Aminoacil-RNAt sintetase Aminoácido ~ RNA-t + AMP Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 126 Cada aminoácido activado reconhece o codão correcto no ARN-m. Fig. 3.2. Ligação do aminoácido ao RNA-t específico 3.3.3. Estrutura e funções dos ribossomas Os ribossomas (veja figura ) são formados por dois tipos de moléculas: RNA ribosomal (RNAr) e proteínas. O RNAr se produz no nucléolo como unidades do ribossoma separadas que se juntam posteriormente durante a síntese de proteínas. Estes organelos s~ao constituidos por duas subunidades, uma grande e outra pequena, que em conjunto medem entre 0.06 e 0.2 μ e se encontram livres no citoplasma ou unidos à membrana externa do retículo endoplasmático. No citoplasma podemos encontá-los livres ou unidos ao RNAm formando agregados de até 100 ribossomas a que se denomina polirribossomas. Fig.3.3. Estrutura do ribossoma Os ribissomas são importantes pois são os responsáveis pela síntese proteica. A tradução ocorre quando o filamento de RNA-m sai do núcleo para o citoplasma. A partir daqui o RNA-m, RNAr e RNA-t se juntam. O RNA-r constitui as duas subunidades do ribossoma, a subunidade maior e a menor. A subunidade maior tem dois sítios, o sítio A (sítio Aminoacil - de aceitação do aminoácido) e o sítio P (sítio Peptidil - de Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 127 formação das ligações peptídicas).Estes serão os sítios de síntese e alongamento da cadeia polipeptídica. O RNA-r é como se fosse a fábrica da tradução e o RNA-t o trabalhador. As moléculas de RNA-t possuem um local de ligação de aminoàcido (monómero das proteinas) e este local possui um anti- codão. O anti-codão é a sequência de nucleótidos complementar de um determinado codão. O RNA-t irá “buscar” um amino àcido específico no citoplasma. O codão do RNA-m específico para este aminoácido pareia com o anti-codão do RNA-t. Pense neste processo como um mecanismo de chave e cadeado. Na tradução o RNA-m irá passar pelo RNA-r da extremidade 5’ (com a sequência AUG) para o codão de terminação na extremidade3’. O primeiro codão AUG começa no sítio A com o codão de iniciação. A seguir, o RNA-t com o anti-codão apropriado UAC, irá se encontrar com o codão iniciador trazendo o aminoácido apropriado, Metionina. Uma vez completada esta fase o complexo irá se mover para o sítio P. O codão seguinte irá entrar no ribossoma conectando-se o RNA-t com o aminoácido apropriado. Os dois aminoácidos irão então ligar-se por uma ligação peptídica. Neste ponto, o primeiro RNA-t irá desligar-se do seu aminoácido e retornar ao citoplasma. O segundo RNA-t, ligado ao pequeno peptídeo a ser alongado irá mover-se para o sítio P. O terceiro codão irá entrar no RNA-r e o processo irá ocorrer como anteriormente. Este processo continuará, alongando-se a cadeia peptidica, até que um codão de terminação entre no sítio A do ribossoma. Neste ponto a tradução pára e o polipeptídeo se desliga. As subunidades do ribossoma se separam e podem ser usadas na tradução de outros transcritos. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 128 Fig 3.4. Os passos da Tradução do ARN-m Terminada a síntese do polipeptídeo ele irá adquirir a sua estrutura final e desempenhará as suas funções seja uma proteína constitucional ou funcional. Se, por exemplo, se formou uma proteína que vai fazer parte da membrana celular de uma célula recém formada, esta proteína se formou porque existia informação genética para tal, portanto o Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 129 genótipo se expressou e o fenótipo resultante é, por exemplo a formação desta membrana celular. Poderá realizar a actividade 4 da ficha de trabalho 3 da parte A do módulo 3.3.4. Como é determinada a forma de um organismo? Como os genes dão a informação do tipo «deste lado para cima» ou agora crescem os braços»? As actividades das células – divisão, diferenciação e em alguns casos morte – todas elas contribuem para a «imagem total» de um organismo. A transcrição dos genes numa determinada ordem determina a sequência de mudanças durante o desenvolvimento de um organismo. Existem, portanto vários mecanismos celulares que permitem controlar que genes devem expressar-se e quando. Ácido Ribonucléico O ARN (ácido ribonucléico) é o ácido nucléico formado a partir de ummodelo de DNA. O açúcar do ácido ribonucléico apresenta a estrutura molecular: C5H10O5. O DNA não é molde directo da síntese de proteínas. Os moldes para síntese de proteínas são moléculas de RNA. Os vários tipos de RNA transcritos do DNA são responsáveis pela síntese de proteínas no citoplasma. O ARN, tal como o ADN é formado por: Ácido fosfórico; Pentose (açúcar com 5 átomos de carbono); Base azotada. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 130 Nas bases azotadas do ARN, a timina é substiruida por uracilo, ou seja, o ARN ao inv é s de timina tem uracilo. Existem três tipos de RNAs: 6. ARN mensageiro: Contêm a informação para a síntese de proteínas. Os RNAm representam cerca de 4% do RNA celular total. Imagem: Estrutura do ARN mensageiro. Fonte: Internet Imagem: Estrutura geometrica da Ribose. Fonte: internet Imagem: Bazes Azotadas do ARN. Da esquerda para a direita: Guanina, Citosina, Uracilo e Adenina. Fonte: Internet Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 131 7. ARN transportador: Transporta aminoácidos para que ocorra a síntese de proteínas. Os RNAt correspondem a 10% do RNA total da célula, e são denominados de adaptadores. Imagem: Estrutura do ARN transportador. Fonte: Internet 8. RNA ribossômico: Componentes da maquinaria de síntese de proteínas presente nos ribossomos. Os RNAr correspondem a 85 % do RNA total da célula, e são encontrados nos ribossomos (local onde ocorre a síntese protéica). Imagem: Estrutura do RNA ribossômico. Fonte: Internet Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 132 Todas as formas de RNA são sintetizadas por enzimas (RNA polimerases) que obtêm informações em moldes de DNA. O RNAr é produzido pelo DNA da região organizadora do nucléolo e, associado a proteínas, vai constituir os nucléolos. Depois passa ao citoplasma para formar os ribossomos. O RNAm leva para o citoplasma as informações para a síntese das proteínas. Existe um tipo de RNAm para cada tipo de cadeia polipeptídica, que vai constituir uma proteína. O RNAm transporta a informação genética na forma de códons, copiados do DNA; um códon consiste em uma seqüência de três nucleotídeos. O RNAt move-se do núcleo para o citoplasma, onde se liga a aminoácidos, e deslocando-se até os ribossomos. Apresenta regiões com pareamento de bases, que lhe conferem um aspecto de "trevo de três folhas". Cada molécula de RNAt apresenta uma extremidade que se liga a diferentes tipos de aminoácidos e uma região com uma seqüência de três nucleotídeos, o anticódon, que pode parear com um dos códons do RNAm. Os vários tipos de RNA, transcritos do DNA, que vão participar da síntese de proteínas, deslocam-se do núcleo para o citoplasma. O RNAr, inicialmente armazenado nos nucléolos, passa para o citoplasma e associado a proteínas, forma os ribossomos, que se prendem às membranas do retículo endoplasmático. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 133 Os ribossomas dispõem-se enfileirados, constituindo os polirribossomos ou polissomos, junto dos quais as proteínas vão ser sintetizadas. Cada polissomo é também denominado unidade de tradução, pois permite a síntese de um tipo de polipeptídeo. O RNAm move-se para o citoplasma e vai ligar-se aos polirribossomos. Ele é formado por uma seqüência de trios de nucleotídeos, que correspondem a diferentes aminoácidos. Cada trio é um códon, e os diferentes códons determinam o tipo, o número e a posição dos aminoácidos na cadeia polipeptídica. O RNAt desloca-se para o citoplasma, onde se liga a aminoácidos, deslocando-os até pontos de síntese protéica. Numa determinada região, a molécula de RNAt apresenta um trio especial de nucleotídeos, o anticódon, correspondente a um códon do RNAm. Uma das extremidades da molécula de RNAt só se liga a um tipo de aminoácido. Quase todas as doenças humanas resultam da produção inapropriada de proteínas. As drogas tradicionais são desenhadas para interagirem com as proteínas que causam ou apoiam a propagação da doença no corpo. Imagem: Fita Simples da Estrutura do Ácido Ribonucléico. Fonte: Internet Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 134 Sumário A tradução é feita por um RNA mensageiro que copia parte da cadeia de ADN por um processo chamado transcrição e posteriormente a informação contida neste é traduzida em proteínas pela tradução. Embora a maioria do ARN produzido seja usado na síntese de proteínas, algum ARN tem função estrutural, como por exemplo o ARN ribossômico, que faz parte da constituição dos ribossomas. o RNA também é um ácido nucléico composto de longas cadeias de unidades repetidas de nucleotídeos, que são formados por três elementos químicos: o fosfato, a pentose e uma base nitrogenada. O RNA tem como função promover a síntese de proteínas. Existem vinte aminoácidos diferentes e são possíveis 64 combinações de bases (61 delas codificam os 20 aminoácidos e três indicam o término da síntese da proteína). Nas células eucarióticas (que possuem envoltório nuclear), como as células animais, a síntese de proteínas se divide em duas etapas bem marcadas e em compartimentos diferentes: a transcrição ocorre no núcleo e a tradução, no citoplasma. Nas células procarióticas (sem envoltório nuclear), como as bactérias, a transcrição e a tradução ocorrem livremente no citoplasma, chegando a acontecer simultaneamente. Antes que a transcrição do RNAm termine, inicia-se a tradução da proteína. O açúcar do ácido ribonucléico apresenta a estrutura molecular: C5H10O5. Os moldes para síntese de proteínas são moléculas de RNA. O ARN, é formado por: ácido fosfórico; pentose e base azotada. Nas bases azotadas do ARN, a timina é substiruida por uracilo, ou seja, o ARN ao invés de timina tem uracilo. Existem três tipos de RNAs: ARN mensageiro; ARN transportador e RNA ribossômico. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 135 Exercícios 1. Como é feita a tradução? R: A tradução é feita por um RNA mensageiro que copia parte da cadeia de ADN por um processo chamado transcrição e posteriormente a informação contida neste é traduzida em proteínas pela tradução. 2. Qual é a função de RNA? R: O RNA tem como função promover a síntese de proteínas. 3. Quais são os intervenientes do processo da tradução? R: ARNm, que vem do interior do núcleo; Os ribossomas; O ARNt (transferência); Enzimas (responsáveis pelo controle das reacções de síntese) e o ATP, é o que fornece energia necessária para o processo. 4. Como é formado o ARN? R: Ácido fosfórico; Pentose (açúcar com 5 átomos de carbono) e Base azotada. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 136 Regulação da Expressão Génica Introdução Prezado estudante, seja bem-vindo ao estudo da expressão génica. A transcrição do DNA em RNA é o ponto de partida de toda a expressão fenotípica. polimerases do RNA, enzimas que realizam a transcrição, utilizam apenas uma das cadeias do DNA como molde, permitindo que elas voltem a emparelhar no fim do processo. Portanto, está convidado para uma discussão activa sobre o tema proposto nesta unidade. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Definir o conceito de gene; Descrever a expressão de genes; Fazer esquema da expressão de genes. Distinguir as diferentes etapas expressão de genes; Relacionar as diferentes etapas expressão de genes. A expressão de Genes A transcrição do DNA em RNA é o ponto de partida de toda a expressão fenotípica. Tal como na replicação, o acesso ao DNA é mediado pela interacção entre proteínas e certas regiões colocadas estrategicamente em relação ao segmento a ser transcrito e também requer helicases que desnaturam a cadeia dupla para permitir-se a leitura da sequência de nucleótidos por polimerases. Mas as polimerases do RNA, enzimas que realizam a transcrição, utilizam apenas uma das cadeias do DNA como molde, permitindo que elas voltem a emparelhar no fim do processo, por isso, o produto final da Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 137 transcrição, ou transcrito primário, é uma molécula (de RNA) de cadeia simples. A polimerase de RNA termina a transcrição junto a sequências que indicam o final do mesmo gene que começou a ser transcrito, por isso a transcrição não é um processo que prossiga indefinidamente ao longo do cromossoma. Outra diferença em relação à replicação está na actividade de transcrição abranger toda a interfase, assim como o estado G0. Mas nem todos os genes de um organismo são transcritos numa mesma célula. As células especializam-se em função do repertório de proteínas associadas a cada tipo de metabolismo e também em função do doseamento de cada uma por isso, na regulação da transcrição dos genes (quais os que são transcritos e quanto das respectivas proteínas é produzido por cada tipo de célula) está uma chave fundamental da diferenciação celular. Imagem: Genes Representados nas Cores Amarelo e Vermelho. Fonte: Internet Não deixa de haver proteínas com funções gerais (metabolismo energético, citosqueleto, polipéptidos ribossomais, histonas, etc.), codificadas nos genes que mantêm a casa (housekeeping), os quais são transcritos em todos os tipos de células. Mas outras proteínas, que só se encontram em células ou em condições metabólicas bem determinadas, são codificadas por genes cuja transcrição sofre drásticas variações, segundo os casos podendo ser muito abundantes numas células e totalmente ausentes noutras, ou aumentarem de um Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 138 nível basal de expressão para concentrações centenas de vezes (ou mais) superiores (e depois voltarem aos níveis basais), por exemplo em resposta a uma hormona. A maquinaria enzimática da transcrição tem assim de "saber" responder a sinais muitíssimo diversificados e geralmente distintos dos que regulam a replicação. E ela própria se especializa, pois nos núcleos das células conhecem-se três tipos de polimerase do RNA: duas delas estão dedicadas à produção de moléculas de rRNA e tRNA, que são as mais abundantes e não são traduzidas; a polimerase III encarrega-se da síntese dos tRNA e rRNA 5S, enquanto a polimerase I da síntese dos restantes rRNA. É assim que quase todos os genes (incluindo os housekeeping, os de metabolismos especializados, e também os dos vírus quando infectam uma célula-hospedeira, são transcritos pela polimerase do tipo II. Por isso se tem dedicado a esta polimerase e à sua catálise a maior parte do esforço de pesquisa em transcrição, pois a sua actividade incide sobre toda a miríade de genes que codificam proteínas-onde também se vão encontrar praticamente todos os que são conhecidos pela análise mendeliana. Nas mitocôndrias e plastos, lá se encontram as polimerases (de DNA e de RNA) análogas, codificadas nos respectivos genomas. Sumário A transcrição do DNA em RNA é o ponto de partida de toda a expressão fenotípica. As polimerases do RNA, enzimas que realizam a transcrição, utilizam apenas uma das cadeias do DNA como molde, permitindo que elas voltem a emparelhar no fim do processo. A polimerase de RNA termina a transcrição junto a sequências que indicam o final do mesmo gene que começou a ser transcrito. As Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 139 células especializam-se em função do repertório de proteínas associadas a cada tipo de metabolismo e também em função do doseamento de cada uma por isso, na regulação da transcrição dos genes está uma chave fundamental da diferenciação celular. A maquinaria enzimática da transcrição tem assim de saber responder a sinais muitíssimo diversificados e geralmente distintos dos que regulam a replicação. E ela própria se especializa, pois nos núcleos das células conhecem-se três tipos de polimerase do RNA: duas delas estão dedicadas à produção de moléculas de rRNA e tRNA, que são as mais abundantes e não são traduzidas; a polimerase III encarrega-se da síntese dos tRNA e rRNA 5S, enquanto a polimerase I da síntese dos restantes rRNA. Nas mitocôndrias e plastos, lá se encontram as polimerases (de DNA e de RNA) análogas, codificadas nos respectivos genomas. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 140 Exercícios 1. Qual é o ponto de partida de toda a expressão fenotípica? R: A transcrição do DNA em RNA é o ponto de partida de toda a expressão fenotípica. 2. Como é que a polimerase de RNA termina a transcrição? R: Junto a sequências que indicam o final do mesmo gene que começou a ser transcrito, por isso a transcrição não é um processo que prossiga indefinidamente ao longo do cromossoma. 3. Como é que as células se especializam-se? R: As células especializam-se em função do repertório de proteínas associadas a cada tipo de metabolismo e também em função do doseamento de cada uma por isso, na regulação da transcrição dos genes está uma chave fundamental da diferenciação celular. 4. O que deve saber a maquinaria genética? R: A maquinaria enzimática da transcrição tem assim de saber responder a sinais muitíssimo diversificados e geralmente distintos dos que regulam a replicação. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 141 A Natureza Química do Gene Introdução Prezado estudante, seja bem vindo ao estudo da natureza quimica do gene. O conceito de gene, está na visualização de Mendel de um elemento ou factor físico actuando como um fundamento para o desenvolvimento de uma característica. Portanto, está convidado para uma discussão sobre a natureza quimica do gene. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Definir o conceito de gene; Interpretar a teoria cromossômica; Compreender a natureza quimica do gene; Caracterizar gene como entidade hereditaria; Aplicar conhecimentos sobre a natureza quimica do gene. A Natureza Química Do Gene O Conceito De Gene Gene é um segmento de DNA que contêm uma determinada característica. Além de denominar a ciência, Bateson activamente promoveu a visão mendelian de genes pares dos alelos. Ele usou a palavra aelomorfo, encurtada para alelo, para identificar os menbros dos pares que controlam a diferentes características alternativas. Por volta do início deste século: Um francês, Lucien Cuénot, mostrou os genes que controlavam a cor da pelagem em camundongos; Um americano, W.E. Castle, relacionou genes ao sexo e ao padrão de cor da pelagem em mamíferos; Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia142 Um dinamarquês, W.L. Johannsen, estudou a influencia da hereditariedade e do ambiente nas plantas. Johannsen começou utilizando a palavra Gene proveniente do termo darwiniano "pangene". O conceito de gene, entretanto, está na visualização de Mendel de um elemento ou factor físico actuando como um fundamento para o desenvolvimento de uma característica. A Teoria Cromossômica Wilhem Roux, por volta de 1883, postulou que os cromossomas dentro do núcleo da célula eram portadores dos factores hereditários. O único modelo que ele foi capaz de imaginar para explicar os resultados genéticos observados era uma série de factores alinhados, duplicados exactamente. Para explicar a mecánica de transmissão de genes célula à célula sugeriu que o núcleo deveria conter estruturas invisíveis mantidas em fila ou cadeias que se autoduplicavam quando a célula se dividia. Os constituintes do núcleo que pareciam mais apropriados para carregar os genes e preencher esses espaços eram os cromossomas. As experiências de T. Boveri e W.S. em 1902 trouxeram evidências comprovatórias de que um gene é parte de um cromossoma. A teoria do gene como uma unidade discreta de um cromossoma foi desenvolvida por T.H. Morgan e colaboradores, em estudos com a mosca das frutas, Drosophila melanogaster. H.J.Muller, posteriormente, promoveu a fusão de duas ciências que muito contribuíram para a teoria cromossômica a citologia com a genética que originou a citogenética. A Natureza Química Do Gene Na década de 30 G.W. Beadle, B. Ephrussi, E. L. Tatum, J.B.S. Haldane e outros forneceram uma base para o entendimento das propriedades funcionais dos genes e sugeriram extensões funcionais Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 143 para o conceito clássico de gene. O gene foi, primeiramente, caracterizado como uma unidade de estrutura indivisível, uma unidade de mutação e uma unidade de função , com todos três atributos considerados equivalentes. Pesquisadores, então, recordaram aquilo que o médico A. E. Garrod havia indicado em 1902, que os genes nos seres humanos funcionavam atravês de enzimas. Os geneticistas, na década de 40, seguindo os passos de Garrod, procuraram um sistema experimental ideal para investigar aspectos funcionais dos genes. Os procariontes (organismos que não possuem o núicleo bem definido e não sofrem meiose, isto é, bactérias e algas cianofíceas) foram escolhidos como material experimental, mesmo sabendo-se que os eucariontes (organismos caracterizados por células com núcleos verdadeiros envolvidos por menbrana e sofrendo meiose) tinham mais significado prático para os geneticistas. Os primeiros êxitos obtidos foram a identificação das macromoléculas que carregavam a informação genética em bactéria por O.T. Avery e colaboradores e em vírus por A, Hershey e M. Chase. As experiências de Avery e colaboradores demostraram que o DNA (Ácido Desoxiribonucléico) poderia causar a mudança genética (transformação) em bactérias pneumococos. Hershey e Chase demonstraram que o componente DNA, e não a proteína, é o material genético transportado pelo bacteriófago. H. Fraenkel-Conrat e B. Singer mostraram que o o RNA (Ácido Ribonucléico) é o material genético no vírus mosaico do Tabaco. Sumário Gene é um segmento de DNA que contêm uma determinada característica. O conceito de gene, entretanto, está na visualização de Mendel de um elemento ou factor físico actuando como um fundamento para o desenvolvimento de uma característica. Sobre a teoria cromossômica, Wilhem Roux, postulou que os cromossomas Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 144 dentro do núcleo da célula eram portadores dos factores hereditários. O único modelo que ele foi capaz de imaginar para explicar os resultados genéticos observados era uma série de factores alinhados, duplicados exactamente. Para explicar a mecánica de transmissão de genes célula à célula sugeriu que o núcleo deveria conter estruturas invisíveis mantidas em fila ou cadeias que se autoduplicavam quando a célula se dividia. Na década de 30 G.W. Beadle, B. Ephrussi, E. L. Tatum, J.B.S. Haldane e outros forneceram uma base para o entendimento das propriedades funcionais dos genes e sugeriram extensões funcionais para o conceito clássico de gene. O gene foi, primeiramente, caracterizado como uma unidade de estrutura indivisível, uma unidade de mutação e uma unidade de função , com todos três atributos considerados equivalentes. Os procariontes foram escolhidos como material experimental, mesmo sabendo-se que os eucariontes tinham mais significado prático para os geneticistas. Hershey e Chase demonstraram que o componente DNA, e não a proteína, é o material genético transportado pelo bacteriófago. H. Fraenkel-Conrat e B. Singer mostraram que o o RNA (Ácido Ribonucléico) é o material genético no vírus mosaico do Tabaco. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 145 Exercícios 1. Dê o conceito de gene. R: Gene é um segmento de DNA que contêm uma determinada característica. 2. Quais foram os aspectos mais marcantes por volta do início deste século. R: Um francês, Lucien Cuénot, mostrou os genes que controlavam a cor da pelagem em camundongos; Um americano, W.E. Castle, relacionou genes ao sexo e ao padrão de cor da pelagem em mamíferos; Um dinamarquês, W.L. Johannsen, estudou a influencia da hereditariedade e do ambiente nas plantas. Johannsen começou utilizando a palavra Gene proveniente do termo darwiniano pangene. 3. Enuncie o que postulou Wilhem Roux, por volta de 1883. R: Postulou que os cromossomas dentro do núcleo da célula eram portadores dos factores hereditários. 4. Como é que o gene foi primeiramente caracterizado? R: O gene foi, primeiramente, caracterizado como uma unidade de estrutura indivisível, uma unidade de mutação e uma unidade de função, com todos três atributos considerados equivalentes. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 146 Unidade 04: Mutações Introdução Prezado estudante, seja bem-vindo ao estudo das mutações. Uma mutação é qualquer modificação ou mudança brusca na informação hereditária ou sequência de nucleotídeos ou arranjo do ADN de uma célula. Portanto, está convidado para uma discussão activa sobre o tema proposto nesta unidade. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Definir o conceito de mutação; Carcterizar o tipo de mutação Explicar as causas da mutação; Conhecer efeitos de mutações Descrever as consequências de uma mutação; Distinguir os tipos diferentes tipos de mutação Relacionar o cariótipo das células com a mutação. Distinguir mutações de modificações Introdução Vamos imaginar a expressão do genótipo em fenótipo (expressão génica) como uma «música». Ora para escutarmos música precisamos obviamente de ter um aparelho, não é? Mas o aparelho só não basta, é necessário que tenhamos uma cassete áudio e que na sua fita magnética estejam contidas as gravações das músicas que pretendemos escutar. Assim que colocarmos a cassete no aparelho e ligarmos, a música começa a tocar. Mas imagine que a cassete esteja muito riscada ou com poeira, o que acontecerá? Simplesmente tocará Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 147 com muito ruído ou então não tocará. E se pegarmos nessa cassete e gravarmos as suas músicas para uma nova cassete, as músicas nesta nova cassete tocariam melhor? É claro quenão, pois a cassete original contém alterações em sua fita magnética e que podem ser transmitidas para outra cassete que for gravada a partir dela. Assim também somos nós, na verdade a nossa «cassete» é a célula, a fita magnética a molécula de DNA que contém gravadas todas informações a nosso respeito, (informações genéticas é claro!) e quando essas informações são expressas em forma de características físicas, bioquímicas e ou fisiológicas seriam as tais «músicas» que escutaríamos. Mas essas «músicas» podem soar mal, como dissemos anteriormente, pois a informação contida na cassete pode sofrer alterações devido a influência de factores externos como a poeira, a humidade, etc. A informação contida em nossa «fita magnética» (DNA), pode sofrer também alterações devido a factores externos como os raios X, luz ultravioleta e outros agentes e assim alguma parte dessa informação contida no DNA é alterada causando consequentemente alterações nas características das «músicas» que serão expressas no fenótipo. Em Biologia este fenómeno que ocorre acidentalmente ou ao acaso em nossa informação genética designa-se mutação. Mas, uma definição mais completa será dada mais á frente! As enzimas que participam no processo de replicação do DNA (as DNA polimerases) também possuem a capacidade de “rever” a constituição do DNA recém sintetizado e de corrigir erros que tenham ocorrido durante o processo de replicação. O que aconteceria aos organismos se as DNA polimerases não tivessem essa capacidade para “rever” o DNA e corrigir os erros existentes? Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 148 Se as DNA polimerases não tivessem actividade exonucleásica, isto é, a capacidade de retirar, do filamento de DNA porções de nucleótiodos, os erros manter-se-iam nas moléculas. Apesar desta actividade de “revisão e correcção” das DNA polimerases, ocorrem mudanças ocasionais na sequência de nucleótidos. Essas alterações súbitas e hereditárias no material genético são chamadas MUTAÇÕES. O termo mutação refere-se tanto à modificação do material genético quanto ao processo pelo qual a alteração ocorre. Mutações espontâneas e Induzidas Conceito Uma mutação é qualquer modificação ou mudança brusca na informação hereditária ou sequência de nucleotídeos ou arranjo do ADN de uma célula. Quando a mutação afecta: As células do corpo ou células somáticas, trata-se de mutação somática; As células germinativas ou reprodutoras, trata-se de mutação herdável. Mutações espontâneas e induzidas Na natureza, as mutações são espontâneas, resultando dos “erros” durante a replicação de ADN, são mutações naturais. No meio ambiente, as mutações podem ser causadas por agentes mutagênicos ai presentes, trata-se de mutações induzidas. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 149 Distinção entre mutações e modificações O material genético sofre diversas mudanças sob acção de factores do meio externo e interno. A composição molecular do gene e a sua bioquímica, a estrutura e o número de cromossomas, tudo isto se encontra submetido a mudanças. Todas as alterações na estrutura génica e cromossómica são mutações que se autoreproduzem durante a divisão das células e que portanto podem ser herdadas. Desta forma, as mutações são mudanças moleculares, estruturais e numéricas da informação genética provocadas pela interacção entre o genótipo e o meio ambiente. As modificações surgem como resultado da acção entre o meio ambiente e os processos de desenvolvimento, ou seja, entre o meio ambiente e a expressão da informação genética durante o desenvolvimento do indivíduo. Poderemos dizer que as modificações são carácteres adquiridas por meio de alterações de um e outros aspectos dentro dos processos de desenvolvimento individual, são variações não hereditárias. Importância das MUTAÇÕES A mutação é a fonte básica de toda a variabilidade genética; ela fornece a matéria-prima para a evolução. Isto significa que, havendo variabilidade genética, a probabilidade de encontrar organismos adaptados e não adaptados a um determinado ambiente é grande. A recombinação entre os cromossomas (distribuição independente dos cromossomas e crossing-over) mais a recombinação da variabilidade Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 150 genética presente nos cromossomas individuais (através da fecundação) apenas rearranja essa variabilidade genética em novas combinações. Os processos de Selecção Natural ou Artificial simplesmente preservam as combinações mais bem adaptadas às condições ambientais existentes (no caso da Selecção Natural) ou desejadas (no caso da Selecção Artificial). Sem a mutação todos os genes existiriam apenas numa forma. Os alelos não existiriam, e, portanto a análise genética não seria possivel, pois todos os organismos seriam semelhantes, não existiria a variabilidade genética. Mais importante ainda é que os organismos não seriam capazes de evoluir e de se adaptar às mudanças ambientais. Algum nivel de mutação é essencial para promover uma variabilidade genética permitindo que os organismos se adaptem a novos ambientes. Ao mesmo tempo, se as mutações ocorresssem com muita frequência elas desestabilizariam totalmente a transmissão de informação genética de uma geração para a outra. Níveis de Mutações e seus efeitos. Efeito das Mutações Para que a presença de uma mutação, num gene ou num cromossoma, seja reconhecida é necessário que essa mutação cause alguma modificação fenotípica detectável. Sabemos já que a informação genética está contida nos cromossomas que são constituidos por genes e que um gene é uma sequência específica de pares de nucleótidos que codificam um determinado polipeptídeo. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 151 Qualquer mutação que ocorra em um determinado gene produzirá, portanto, uma nova sequência de nucleótiodos ou seja um novo alelo daquele gene. O efeito fenotípico de uma mutação pode variar desde o nulo(não causa algum efeito) até um efeito letal (causa a morte), dependendo do tipo de informação genética atingida pela mutação. Algumas mudanças nos pares de bases não modificam de forma alguma os produtos proteicos codificados. Isto porque o código genético é degenerado, isto é, alguns aminoácidos podem ser reconhecidos por mais do que um tripleto. (Consulte o quadro com o código genético na pág.16) Existem mutações que resultam na perda total da actividade do produto gênico ou na não produção de um determinado produto. È o caso do albinismo, que se caracteriza pela não produção de melanina. Quem tem um genótipo recessivo para albinismo apenas significa que herdou dois alelos do gene mutante recessivo (portanto é homozigótoco recessivo) e por isso não produz melanina. Se este tipo de mudança (perda total da actividade) ocorrer em genes essenciais à vida, certamente que essas mutações serão letais. Por exemplo, uma planta de milho pode germinar com uma mutação que lhe impede de produzir clorofila. Sem realizar a fotossíntese a planta morre. As mutações podem também resultar num decréscimo da actividade do produto génico. Algumas plantas possuem flores vermelhas, brancas e cor de rosa. As flores cor de rosa não são o resultado da produção de pigmento branco e vermelho mas sim podem ser resultantes de um decréscimo da Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia152 produção do pigmento vermelho, ficando assim menos vermelhas ou cor de rosa. Nota: Da mesma forma, as flores brancas não produzem pigmento branco, elas não possuem informação para a produção de pigmento vermelho e por isso são brancas, (este seria um exemplo de perda da actividade). Podem ser nulas se ocorrerem nos introns. Introns são sequências de nucleótidos sem sentido, que não codificam um aminoácido, por isso uma mutação num intron não terá algum efeito. Observação O exemplo da pigmentação de algumas flores brancas, vermelhas e rosa, da mesma espécie, serve para perceber que o gene recessivo não é mais “fraco” que o dominante, como às vezes se pensa. Os efeitos dos alelos recessivos e dominantes são diferentes porque um (o recessivo) sofreu mutação e já não possui informação genética para a produção do pigmento vermelho, então, a sua flôr é branca. Outro, (o alelo dominante) possui informação para a produção do pigmento vermelho. A explicação do aparecimento da côr rosa verá mais tarde quando se estudar a relação alélica de dominância incompleta. Mas o efeito das mutações não depende apenas do tipo de material genético atingido. Depende ainda do tipo de célula atingida pela mutação, do estágio do ciclo de vida em que a mutação ocorre e da dominância ou recessividade do novo alelo. Influência do tipo de célula Se a mutação ocorre numa célula somática, a mutação será perpetuada apenas nas células somáticas que descendem da célula original onde a mutação ocorreu. Formam-se tecidos mosaico como por exemplo a Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 153 laranja com “umbigo”. O Tecido é chamado mosaico por conter uma combinação de células com a informação genética normal e outras células descendentes da célula mutada, com informação genética diferente. O “umbigo” da laranja é resultado de uma mutação que originou o desenvolvimento carpelar secundário (desenvolvimento de um carpelo dentro de outro carpelo). Se a mutação ocorre em células germinativas, poderá afectar um grande número de gâmetas ou esporos produzidos a partir destas células, assim, o efeito da mutação pode ser expresso na descendência imediatamente, isto é, logo que essas células mutantes dêm origem a um novo ser. CÉLULA GERMINATIVA – Célulaque se divide no organismo feminino para dar origem ao gâmeta feminino e no organismo masculino para dar origem ao gâmeta masculino. Algumas vezes este mesmo conceito de célula germinativa é usado como sinónimo de célula sexual. CÉLULA SOMÁTICA – Célula que é um componente do organismo que em contraste com a célula germinativa não está envolvida na produção de células sexuais ou reprodutoras. Influência no estágio do Ciclo Reprodutivo As mutações somáticas e germinativas podem ocorrer em qualquer estágio do ciclo reprodutivo do organismo. Se a mutação surge num gâmeta ou esporo, é provável que um único membro da progeniê (ou descendência) tenha o gene mutante. Esse membro será resultante da fecundação dessa célula com a mutação. Se a mutação ocorre antes de se formarem os gâmetas ou esporos mas atingindo células que originarão esses gâmetas ou esporos, vários Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 154 gâmetas ou esporos podem receber o gene resultante e portanto aumentar o seu potencial de perpetuação, isto é todos os indivíduos que se formarem da fecundação dessas células mutantes transportarão essa mutação. Influência da Dominância e Recessividade Se as mutações dominantes ocorrem nas células germinativas, os seus efeitos podem ser expressos na progeniê (descendência) imediatamente, pois a mutação se vai expressar em indivíduos com dois tipos de genótipos diferentes: homozigóticos dominantes e heterozigóticos. Se as mutações são recessivas os seus efeitos são frequentemente “obscurecidos” em indivíduos heterozigóticos. Isto é em indíviduos heterozigóticos o carácter condicionado pelo gene recessivo não se manifestará, apenas se manifestará em indivíduos homozigóticos recessivos. Taxa de Mutação Para ter uma ideia da frequência média com que as mutações ocorrem em alguns organismos seguem-se as taxas de mutação no vírus (fago) e bactéria e em seres eucariotas: Fago e bactéria - 10 -8 a 10 -10 mutações detectáveis por par de nucleótidos. Eucariotas - 10 -7 a 10 -9 mutações detectáveis por par de nucleótidos por geração. 4.2.2. Níveis de Mutação As mutações podem afectar diferentes níveis do material genético desde um único gene, passando por um cromossoma até ao genoma Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 155 inteiro. Assim, dependendo do nível de organização do material genético atingido, as mutações são classificadas em: Mutações Pontuais - Mudanças nos genes Mudanças na estrutura dos cromossomas ou aberrações cromossómicas Alterações do número de cromossomas – Aneuploidias e Euploidias. Mutações pontuais – mudanças nos genes As mutações pontuais podem ser de vários tipos: Base falsa – inserção de uma base que possui uma estrutura semelhante à das bases A,T,G,C Falta de uma ou algumas bases Adição de algumas bases Substituição de uma base: Uma Purina pode substituir outra purina Purina Purina (transição) Uma Purina pode ser substituida por uma Pirimidina Purina Pirimidina (Transversão) Quebra de um ou dos dois cordões da cadeia dupla do DNA Formação de dímeros devido á ligação entre duas bases adjacentes Cross link ou ligação cruzada que consiste na ligação de uma base de um filamento a outra base não complementar no outro filamento. Exemplos esquemáticos de mutações pontuais: Façamos uma analogia entre o código genético e o alfabeto da língua portuguesa. Cada palavra de três letras seria correspondente ao código para um aminoàcido . Uma frase com palavras de três letras seria correspondente aos codões para vários aminoácidos correspondentes (por exemplo, uma proteína): Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 156 Informação correcta: SOL TEM LUZ (faz sentido) Inserção de base falsa: SOL TEM LUI (não faz sentido) Falta de uma ou algumas bases (delecção) _OL TEM LUZ (não faz sentido) Adição de base SOL UTE MLUZ (não faz sentido) Embora as mutações pontuais ocorram, as células possuem mecanismos que permitem a reparação de alguns desses erros, portanto a mutação pontual só é expressa se os mecanismos de reparação da célula não estiverem funcionais ou se o erro for tão grave que a célula não o consiga reparar. Exemplos de doenças Humanas devidas a mutações pontuais Estas doenças são também denominadas enzimopatias pois o seu surgimento depende, muitas vezes, de problemas na produção de uma determinada enzima, o que compromete uma série de reacções metabólicas. A— ANEMIA FALCIFORME Os indivíduos Homozigóticos para o alelo da Anemia Falciforme desenvolvem uma séria anemia hemolítica (destruição dos glóbulos vermelhos). As moléculas de Hemoglobina precipitam na ausência de oxigénio, formando agregados cristalóides que distorcem a morfologia dos glóbulos vermelhos. Eles se alongam e formam células em forma de foice ou de meia lua. B— XERODERMA PIGMENTOSUM Todos os seres humanos estão expostos à acção dos raios ultravioleta da luz solar. Os raios ultravioleta estimulam a formação de dímeros de Timina nas células da pele. A maioria dos seres humanospossuem uma enzima que remove os dímeros de Timina, então a acção dos raios ultravioleta não se chega a manifestar. No entanto, alguns seres humanos revelam incapacidade de produzir a enzima endonucleásica necessária para o reparo do DNA, portanto as Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 157 suas células da pele ficam impossibilitadas de reparar os danos causados pelos raios ultravioleta. Desenvolvem-se queimaduras que evoluem para cânceres que levam á morte prematura. C— FENILCETONÚRIA É uma doença devida a um gene recessivo autossómico e caracteriza- se pela falta de fenilalanina hidroxilase (no fígado). Esta enzima é necessária para converter a fenilalanina em tirosina. Assim, os fenilcetonúricos não possuem a capacidade de metabolizar a fenilalanina o que conduz a um excesso de àcido fenilpirúvico no sangue e no líquido cérebro espinal. Consequências: Defeciência mental D— ANEMIA DE FANCONI É uma anemia aplástica (formação insuficiente de glóbulos vermelhos) congênita, também devida a um gene autossómico recessivo. As células dos pacientes apresentam instabilidade cromossómica espontânea (quebras cromossómicas e ligações cruzadas). As ligações cruzadas podem também ser devidas à utilização do antibiótico MITOMICINA. E— SÍNDROME DE BLOOM Esta síndrome deve-se a quebras cromossómicas. As consequências são: Peso baixo à nascença Baixa estatura Extrema sensibilidade da pele à luz Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 158 Pré-disposição à leucemia Mudanças da estrutura dos cromossomas Muitos autores preferem utilizar o termo mutação apenas quando se referem à mutação pontual ou génica e preferem utilizar os termos alteração ou mudança quando atinge um ou vários cromossomas, portanto quando não se trata de uma mutação génica. Muitas vezes se usa o termo aberração cromossómica para descrever as mutações cromossómicas. Os tipos básicos de modificações da estrutura dos cromossomas são as seguintes: Deficiência ou Delecção Inserção ou Adição Translocação Inversão Tipos de Mutações Existem basicamente dois tipos de mutações: 1. Mutações Gênicas: São mutações que afectam geralmente um gene, isto é uma pequena fracção da molécula de ADN. As mutações genicas podem se dar por: Substituição: ocorre a troca de um ou mais pares de bases azotadas do ADN. Distingue-se 2 tipos de substituição: Transição: é a substituição de uma purina [Adenina (A), Guanina (G)] por outra ou de uma pirimidina [Citosina (C), Timina (T)] por outra; Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 159 Transversão: é a substituição de uma purina por uma pirimidina ou vic versa. Adição: que acontece quando uma ou mais bases azotadas são adicionadas ao ADN, modificando a ordem da leitura durante a replicação ou a transcrição; Deleção: que acontece quando uma ou mais bases azotadas são retiradas do ADN, modificando a ordem da leitura durante a replicação ou a transcrição. As mutações gênicas podem ser: Mutação Silenciosa: não altera a sequência de aminoácidos; Mutação Missense: há mudança de um único aminoácido. Ex: Anemia falciforma; Mutação Nonsense: cria codon“ Stop” na matriz de leitura da proteína. 2. Mutações Cromossómicas: São mutações que afectam os cromossomas alternando o seu número ou seja a sua estrutura: a) Mutações afectando a estrutura, podem ser: Imagem: Ilustração de Mutação por Substituição. Fonte: Internet Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 160 1. Delecção: é a perca de um ou mais fragmentos de cromossoma Deficiência ou Delecção Trata-se da perda de um segmento do cromossoma por quebra. Deficiências muito acentuadas podem ser letais pois implicam a perda de muitos genes. Uma quebra única, próxima da extremidade do cromossoma resulta numa deficiência terminal (perda da extremidade de um cromossoma). Se duas quebras ocorrem, uma secção pode ser deletada e é criada uma defeciência intercalar (perda de uma porção no interior do cromossoma). A grande maioria das defeciências detectadas é do tipo intercalar. Duas quebrais Perda da porção D Exemplo de Deficiência ou delecção nos seres humanos Geralmente são letais mesmo em homozigose levando à natimortalidade (morte antes da nascença) e mortes infantis. Ex: Síndrome do Cri-du-chat (síndrome do miado do gato), é devida à delecção do braço curto do cromossoma 5. (46, XX, 5p_ ) Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 161 As crianças atingidas têm um choro lamentoso, semelhante ao miar de um gato, microcefalia (encéfalo pouco desenvolvido), face larga, nariz arqueado, retardamento físico e mental. 2. Inserção ou Adição Ocorre quando uma parte do cromossoma quebra-se, solta-se e liga-se ao seu homólogo que fica com uma informação duplicada. Segmento quebrado Ligação ao homólogo Duplicação: é a repetição do fragmento d cromossoma 3. Translocação Translocação, um segmento perdido por um cromossoma solda-se a um outro cromossoma que pode ser o seu homólogo ou um outro cromossoma Quebra e troca de segmentos de cromossomas não homólogos. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 162 Segmento W X é deletado e ligadoa outro cromossoma não homólogo . 4. Inversão Inversão: é a quebra de fragmento de cromossoma seguido da sua ligação mas de modo inverso Um segmento do cromossoma quebra-se, sofre rotação de 180º e solda-se novamente alterando a ordem dos genes. Quebra do segmento BCD Ligação do segmento após rotação DCB . Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 163 Observação: Notação (como escrever ou como anotar) de cariótipos normais e anormais CARIÓTIPO - Constituição cromossómica de uma célula ou de um indivíduo; arranjo cromossómico em ordem de comprimento e de acordo com a posição do centrómero: é também a fórmula abreviada para constituição cromossómica, tal como 47, XX+21 para a trissomia 21. (Gardner & Snustad, p.448). Estudo da individualidade de cada um dos cromossomas e de todo o número de cromossomas. Os cariótipos, humanos normais, masculino e feminino são indicados pelo número total de cromossomas ao qual se segue uma vírgula e o conjunto dos cromossomas sexuais. Exemplos: ♂ 46, XY ♀ 46, XX Para indicar a falta ou excesso de segmentos de cromossoma ou de cromossoma inteiro usa-se: (+) ou (-) : antes do número de um cromossoma indica excesso ou falta desse cromossoma. Exemplos: 45, XX – 14 Cariótipo feminino, com 45 cromossomas onde falta um cromossoma 14. 47, XY + 21 Cariótipo masculino com um cromossoma 21 a mais. Mudanças no número de cromossomas Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 164 Cada espécie tem um número característico de cromossomas. A maioria dos organismos superiores é diplóide, com grupos de cromossomas homólogos. Variações no número de cromossomas (ploidia) são comunmente encontrados nos organismos na natureza.Estima-se que um terço das angiospérmicas possui mais de 2 grupos de cromossomas - poliploidia. b) Mutações alterando o número de cromossomas: Normalmente, o fuso acromático distribui de forma igual os cromossomas entre as células filhas. Quando isto não acontece fala-se de não-disjuncão. A não-disjuncão pode ocorrer durante a Meiose I quando os cromossomas homólogos não se separam deviam ou seja não se param durante a Meiose II quando os cromatídeos - irmãos não se separam. Nesse caso uns dos gâmetas recebem dois cromossomas do mesmo par enquanto outros não. recebem nada. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 165 S e u m d o s gâmetas anormais une-se com um gâmeta normal, o indivíduo que resulta da fecundação ou zigoto possuirá um número anormal de cromossomas. Sumário Uma mutação é qualquer modificação ou mudança brusca na informação hereditária ou sequência de nucleotídeos ou arranjo do ADN de uma célula. Trata-se de mutação somática quando afecta as células do corpo ou células somáticas e mutação herdável se afectar as células germinativas ou reprodutoras. Na natureza, as mutações são Imagem: Mutações Alterando o Número de Cromossomas. Fonte: Internet Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 166 espontâneas, resultando dos “erros” durante a replicação de ADN, são mutações naturais. No meio ambiente, as mutações podem ser causadas por agentes mutagênicos ai presentes, trata-se de mutações induzidas. Existem basicamente dois tipos de mutações: mutações gênicas as que que afectam geralmente um gene, isto é uma pequena fracção da molécula de ADN e as mutações cromossómicas quando afectam os cromossomas alternando o seu número. Exercícios 1. Defina mutação. R: Uma mutação é qualquer modificação ou mudança brusca na informação hereditária ou sequência de nucleotídeos ou arranjo do ADN de uma célula. 2. O são mutações gênicas? R: São mutações que afectam geralmente um gene, isto é uma pequena fracção da molécula de ADN. 3. Como é que podem ser as mutações gênicas: R: Podem se dar por: substituição, adição e deleção. 4. Quando é que a mutação é somática ou herdável? R: Quando a mutação afecta: a células do corpo ou células somáticas, trata-se de mutação somática; As células germinativas ou reprodutoras, trata-se de mutação herdável. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 167 Que factores podem causar Mutações? Os factores ou agentes causadores de mutações são geralmente denominados agentes mutagénicos. Podemos dividir os agentes mutagénicos ou agentes causadores de mutação em dois grupos: Radiações Agentes Químicos Radiações As radiações podem ser de diferentes tipos. As ionizantes - raios X e Gama, actuam sobre os àtomos que constituem os organismos removendo-lhes eletrões, portanto alteram a estrutura dos àcidos nucleicos. Por essa razão as mulheres grávidas (principalmente nos primeiros meses de gravidez não devem ser sujeitas a raios X para que estes não causem mutações nas céluas que se estão a dividir para formar os tecidos do novo ser). A radiação Ultravioleta que não tem um grande poder de penetração nos organismos por isso é um potente agente mutagénico para organismos unicelulares e para as células superficiais de organismos pluricelulares. (Como é o caso das nossa células da pele) Agentes Químicos Bases análogas – São substâncias com uma estrutura similar ás bases que normalmente fazem parte da estrutura dos àcidos nucleicos, por isso podem ser erradamente incorporadas neles e assim causar mutação. Ex: Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 168 5- Bromo Uracil é similar à Timina Àcido Nitroso (HNO2) – Causa a desaminação das bases A,G e C, convertendo o grupo AMINO em CETO. Esta transformação altera as potenciais pontes de hidrogénio, alterando assim a ordem das ligações entre os dois filamentos. Colchicina – Causa poliploidia pois impede a formação do fuso acromático. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 169 Os Agentes Mutagênicos Introdução Prezado estudante, seja bem vindo ao estudo dos agentes mutagénicos. Agentes mutagénicos são as substâncias químicas ou radiações que aumentam a probabilidade de ocorrência de mutações. Portanto, está convidado para uma discussão activa sobre o tema proposto nesta unidade. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Definir os agentes mutagénicos; Carcterizar os agentes mutagénicos; Explicar acção dos agentes mutagénicos; Descrever as consequências de uma mutação; Distinguir a acção dos agentes mutagénicos. Os Agentes Mutagênicos Agentes mutagénicos são as substâncias químicas ou radiações que aumentam a probabilidade de ocorrência de mutações. As mutações podem ocorrer espontaneamente ou serem induzidas por agentes mutagênicos. As substâncias químicas, tais como por exemplo, cafeína; álcool; inseticidas e fungicidas, presentes em vegetais e frutas, são responsáveis por mutações espontâneas. Os agentes mutagênicos têm uma acção muito diferenciada isto é: Alguns actuam sobre a estrutura do ADN Provocam delecções ou adições de pares de nucleotídeos Outros afectam essencialmente a replicação do ADN alterando as sequências nucleotídicas. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 170 Os agentes mutagênicos podem ser: 1. Fisicos: Radiação: a radiação de alta energia (raios gama, beta e alfa) causa mutações. A radiação do som é pouco concentrada em energia, porém, absorvida pelos tecidos vivos, converte-se em calor. Por sua vez, este pode aumentar a taxa de mutações. As radiações ionizantes (urânio) são naturais, mas responsáveis por grande parte das mutações. Fontes naturais de radiação como raios cósmicos, luz solar e minerais radioactivos da crosta terrestre. Certos minerais da crosta (urânio, rádio, carbono 14...) emitem radiações ionizantes, os raios α, β e γ. Estas radiações, especialmente os raios γ, têm energia suficiente para remover electrões dos átomos e quebrar o esqueleto de açucares e fosfato do DNA. A temperatura: em determinados organismos a variação de ºC pode duplicar a taxa de mutação 2. Químicos: Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos: os hidrocarbonetos como aqueles presentes em qualquer tipo de fumo (tabaco principalmente), causam mutações no X. Outros químicos: como por exemplo arilaminas (corante industrial) no cancro da bexiga, aflatoxina (toxina de fungo presente em alguma comida bolorenta). Irritação crónica: a irritação crónica com morte e divisão celulares constantes leva a uma maior taxa de mutações devido à maior probabilidade de erros no X quando a sua replicação durante a divisão celular. Como exemplos disso temos, a Hepatite crónica por alcoolismo, a pancreatite crónica por alcoolismo ou a cistite crónica por infecção. Cafeína: é um derivado da purina; várias purinas foram indicadas como substâncias que causam quebras nos cromossomas de plantas e bactérias. Por este motivo, sempre houve grande interesse pela Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 171 cafeína por causa da grande quantidade que o homemcivilizado ingere através do chá ou café. 3. Biológicos: Vírus: alguns vírus causam mutações no X. Alguns exemplos são o vírus Epstein-Barr, que causa a doença do beijo, Papilomavirus que causa a verruga e o condiloma acuminado (cancros do pénis e colo do útero), vírus da Hepatite B e C. Bactérias: a infecção do estômago crónica com Helicobacter pylori predispõe ao desenvolvimento de cancro do estômago e a linfomas associados à mucosa (Mal Tomas). Formas de Actuação dos Agentes Mutagénicos: Alteração das bases nucleotídicas por agentes químicos. No caso do ácido nítrico e dos seus derivados, podem transformar a citosina presente no DNA, na sua forma rara; para tal, ocorre a conversão de -NH2 em =NH. Tem por consequência a alteração do emparelhamento das bases; Adição de grupos químicos às bases por agentes químicos, como, por exemplo, o benzopireno, um dos componentes do fumo do tabaco, que adiciona um grupo químico à guanina, tornando-a indisponível para o emparelhamento das bases; Danificação do material genético por radiações. As radiações ionizantes (raios X) produzem radicais livres, altamente reactivos, e que podem alterar as bases do DNA para formas não reconhecíveis, ou causar anormalidades cromossómicas. As radiações ultravioletas do Sol são absorvidas pela timina do DNA, promovendo o estabelecimento de ligações covalentes entre bases adjacentes, o que causa grandes problemas durante a replicação do DNA. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 172 Sumário Agentes mutagénicos são as substâncias químicas ou radiações que aumentam a probabilidade de ocorrência de mutações. As mutações podem ocorrer espontaneamente ou serem induzidas por agentes mutagênicos. As substâncias químicas, tais como por exemplo, cafeína; álcool; inseticidas e fungicidas, presentes em vegetais e frutas, são responsáveis por mutações espontâneas. Os agentes mutagênicos podem ser: fisicos, químicose biológicos. As formas de actuação dos agentes mutagénicos são: alteração das bases nucleotídicas por agentes químicos; adição de grupos químicos às bases por agentes químicos e danificação do material genético por radiações. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 173 Exercícios 1. Explique as Formas de Actuação dos Agentes Mutagénicos. R: Alteração das bases nucleotídicas por agentes químicos. No caso do ácido nítrico e dos seus derivados, podem transformar a citosina presente no DNA, na sua forma rara; para tal, ocorre a conversão de -NH2 em =NH. Tem por consequência a alteração do emparelhamento das bases; Adição de grupos químicos às bases por agentes químicos, como, por exemplo, o benzopireno, um dos componentes do fumo do tabaco, que adiciona um grupo químico à guanina, tornando-a indisponível para o emparelhamento das bases; Danificação do material genético por radiações. As radiações ionizantes (raios X) produzem radicais livres, altamente reactivos, e que podem alterar as bases do DNA para formas não reconhecíveis, ou causar anormalidades cromossómicas. As radiações ultravioletas do Sol são absorvidas pela timina do DNA, promovendo o estabelecimento de ligações covalentes entre bases adjacentes, o que causa grandes problemas durante a replicação do DNA. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 174 Detenção de aneuploidias humanas Introdução Prezado estudante, seja bem-vindo ao estudo da detenção da aneuploidia humana. As ANEUPLOIDIAS são variações numéricas dos cromossomas que envolvem a diminuição ou acréscimo de um ou mais cromossomas no cariótipo normal. Portanto, está convidado para uma discussão activa sobre o tema proposto nesta unidade. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Definir aneuploidia Humana Carcterizar a euploidia; Explicar acção da aneuploidia Humana; Descrever os tipos de aneuploidia humana; Conhecer as formas da aneuploidia humana. Detenção de aneuploidias humanas As variações numéricas podem ser ANEUPLOIDIAS ou EUPLOIDIAS As ANEUPLOIDIAS são variações numéricas dos cromossomas que envolvem a diminuição ou acréscimo de um ou mais cromossomas no cariótipo normal. As EUPLOIDIAS, ao contrário das aneuploidias, envolvem o genoma inteiro e consistem na multiplicação de jogos completos de cromossomas em todas as células do organismo. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 175 A. Aneuploidias São denominadas Monossomia, Trissomia, Nulissomia etc, de acordo com o número de cromossomas que o organismo ou que a célula perdeu ou ganhou. Monossomia – Falta de um cromossoma de um par. Fórmula cromossómica do organismo ou da célula com a mutação (2n - 1) Fórmula cromossómica dos gâmetas (nos animais) / esporos (nas plantas) (n) e (n – 1) Trissomia – Um dos pares de cromossomas tem um elemento extra. Fórmula cromossómica do organismo ou da célula com a mutação (2n + 1) Fórmula cromossómica dos gâmetas (nos animais) / esporos (nas plantas) (n) e (n + 1) Tetrassomia – Quando um cromossoma está presente em quadruplicado Fórmula cromossómica do organismo ou da célula com a mutação (2n + 2) Trissomia Dupla – Quando dois cromossomas diferentes estão em triplicado, ou seja, dois pares de cromossomas têm um cromossoma a mais. Fórmula cromossómica do organismo ou da célula com a mutação (2n + 1 + 1) Nulissomia – Quando um organismo ou célula perdeu um par de cromossomas. O resultado geralmente é a letalidade. Formula cromossómica do organismo ou da célula com a mutação ( 2n – 2) Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 176 Observação: Para perceber todo o mecanismo que faz com que uma célula possa ter um cromossoma a mais ou a menos, é necessário lembrar-se da Meiose. Numa Meiose normal, na Metáfase I os cromossomas homólogos dispoêm-se na placa equatorial aos pares ficando cada membro de um par virado para um dos polos da célula. Na Anáfase os cromossomas de um par migram cada um para um polo recebendo cada célula resultante u m cromossoma de cada par. Numa Meiose anormal podem migrar os dois cromossomas de um par para o mesmo polo da célula, recebendo uma célula dois cromossomas do mesmo par e outra célula nenhum cromossoma deste par. (É importante consultar as figuras da Meiose no módulo 1) Vejamos agora, na tabela a seguir, exemplos de algumas Aneuploidias humanas: Aneuploidias Humanas Nomenclatura cromossómica Formula cromossómica Síndrome Frequencia estimada de nascimentos Principais características fenotípicas 47, + 21 2n + 1 Down 1/700 Mãos largas e curtas, baixa estatura (≈1,22m), retardamento mental,cabeça larga e face redonda, boca frequentemente aberta 47, + 13 2n + 1 Trissomia do 13 1/20.000 Defeciência mental e surdez, convulsões, polidactilia, anomalias cardíacas, lábio com defeito. 47, + 18 2n + 1 Trissomia 1/8000 Malformações congénitas de Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 177 do 18 muitos orgãos, mandíbula recuada, boca e nariz pequenos, defeciência mental, 90% morrem nos primeiros 6 meses. 45, X 2n – 1 Turner 1/2500 bebés do sexo feminino Mulheres com desenvolvimento sexual retardado, normalmente estéreis, baixas, pescoço largo, anomalias cardiovasculares e defeitos auditivos. 47, XXY 2n + 1 Klinefelter1/500 bebés do sexo masculino Homens subférteis, com testículos pequenos, desenvolvimento de seios, com pernas e braços longos. Tabela 1. Aneuploidias Humanas (Gardner e Snustad,1986, pag 357) Os termos sublinhados na tabela são definidos a seguir. Mal formações congénitas – Existência de anomalias, anatómicas ou funcionais, presentes na altura do nascimento. Polidactilia– Existência, nos seres humanos, de mais do que cinco dedos nas mãos e pés. Observação: A síndrome de Down (também erradamente denominada mongolismo devido às características fifionómicas dos afectados, em particular os olhos amendoados) foi a primeira desordem cromossómica descoberta no Homem. É o resultado da não disjunção primária dos cromossomas que pode ocorrer em divisões meióticas em ambos os pais. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 178 Esta e outras síndromes ocorrem também em crianças moçambicanas. Elas são diferentes mas é importante aprendermos a conviver com as diferenças, não discriminando. As crianças com síndrome de Down são normalmente sensíveis, felizes e agradáveis. Elas são habilidosas e se tiverem a oportunidade de educação podem ter um emprego. B. Euploidias Distinguem-se dois tipos de euploidias dependendo do grupo de cromossomas que a mutação abrange: 1 — AUTO(POLI)PLOIDIA AUTO indica que a ploidia abrange somente grupos de cromossomas homólogos. 2 — ALO(POLI)PLOIDIA ALO indica que grupos de cromossomas não homólogos estão envolvidos no processo de alteração do número cromossómico. Exceptuando os casos de Aneuploidias, existe, para cada espécie um número específico constante de cromossomas. Nas plantas, especialmente naquelas que são há muito cultivadas pelo Homem, encontra-se frequentemente séries de cromossomas que constituem o múltiplo do número base. Assim, o trigo tem 2 X 7, 4 X 7 ou 6 X 7 cromossomas (isto é 14, 28 ou 42), sendo 7 o número de base. 1- AUTOPOLIPLOIDIA Para simbolizar o jogo de cromossomas haplóide ou o genoma de uma determinada espécie usa-se letras maiúsculas. Exemplo: Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 179 BB – Diploidia (pares de cromossomas) BBB – Triploidia (conjunto de três cromossomas de um tipo) Indivíduos triploides são estéreis BBBB – Tetraploidia (quatro exemplares de cada tipo de cromossoma) A duplicação de jogos inteiros de cromossomas realiza-se por vezes espontâneamente ou pode ser induzida por choques térmicos (40 – 45 ºc) ou por meio de tratamento com colchicina (alcalóide do colchico), que impede a formação do fuso acromático. Consequentemente perturba a divisão celular e os pares de cromossomas (na Meiose I) ou os cromatídeos irmãos (Mitose e Meiose II) não se separam. Normalmente as plantas poliplóides têm flores, frutos e/ou sementes maiores que as de composição cromossómica normal. Exemplo1: Na beterraba sacarina, as plantas triploides têm uma produção mais elevada. P: Diplóide Tetraplóide AA X AAAA F1: AAA Indivíduo triplóide estéril mas com uma produção mais elevada Exemplo 2: Solanum tuberosum (batata reno) Pode ter: 2n = 12 , 24, 36, 48, 60, 72, 96, 108, 120, 144 Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 180 Outro exemplo de plantas triplóide é a bananeira e algumas variedades de maça (Grafensteiner, Baldwin e Winesap). Muitas vezes os triplóides são multiplicados vegetativamente não constituindo a falta da Meiose um empedimento para a sua perpetuação. As maças triplóides são perpetuadas por enxertos e brotos e portanto mantêm as suas características triplóides. 2 — ALOPOLIPLOIDIA Ocorrre devido ao cruzamento entre indivíduos de espécies diferentes. Ex: P: AA X BB F1 : AB Indivíduos híbridos, estéreis devido a diferenças cromossómicas. São estéreis porque durante a Meiose não é possivél o pareamento dos cromossomas. Se for possivel induzir a produção de gâmetas AB destes indivíduos, podem surgir indivíduos TETRAPLÓIDES ( AABB) e esta seria uma nova espécie. Exemplo de ALOPOLIPLOIDIA: Cruzamento de rabanete e couve Este é também um exemplo da produção experimental de poliplóides. O citologista russo Karpechenko produziu um poliplóide a partir de cruzamentos entre dois vegetais comuns que pertenciam a géneros diferentes o rabanete Raphanus sativus e a couve Brassica oleracea. O objectivo era a produção de uma planta com raízes de rabanete e folhas de couve. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 181 Embora de géneros diferentes estas duas plantas possuem o mesmo número de pares de cromossomas 2n= 18, tendo o híbrido diplóide 18 cromossomas, 9 de um progenitor e nove de outro. Mas era estéril devido ao não pareamento dos cromossomas na Meiose. Assim, formaram-se alguns gâmetas sem redução cromossómica, isto é gâmetas com 18 cromossomas. Ao fecundar estes dois tipos de gâmetas Karpechenko obteve um tetraplóide com 18 cromossomas de rabanete e 18 cromossomas de couve ( portanto um alopoliplóide), a que chamou Raphanobrassica. Este cruzamento teve uma importância teórica porque demonstrou como se pode produzir um híbrido interspecífico (do cruzamento de duas espécies) fértil. Infelizmente, do ponto de vista prático, a Raphanobrassica tem folhas de rabanete e raiz de couve. (Gardner & Snustad, 1986, pag 371). Raphanus sativus X Brassica oleracea (rabanete) (couve) ( 2 X 9 = 18) ( 2 X 9 = 18) AA BB F1: AABB (hibrido tetraplóide - Raphanubrassica) Pode realizar as actividades da Ficha de trabalho 4 na parte A do módulo Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 182 Unidade 05: A vida e experiências de Mendel Introdução Prezado estudante, seja bem-vindo ao estudo da história de Mendel. Seu trabalho genial, colocou-o no nível dos maiores cientistas da humanidade. O que descobriu, e vem sendo ensinado desde 1900, se tornou imprescindível para a compreensão da Biologia moderna. Portanto, está convidado para uma discussão sobre história de Mendel. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Conhecer a história de mendel; Explicar a história de mendel Compreender a história de mendel; Aplicar os conhecimentos sobre história de mendel; Descrever aspectos mais importantes da história de mendel. A História de Mendel Gregor Johann Mendel nasceu a 20 de Julho de 1822, na Silésia, sendo baptizado a 22 de julho de 1822, o que gera uma confusão em relação ao dia de seu nascimento. Segundo consta, era pobre, e aos 21 anos de idade entrou para um convento da Ordem de Santo Agostinho, de onde seus superiores o enviaram a Viena a fim de estudar história natural. Seu trabalho genial, colocou-o no nível dos maiores cientistas da humanidade. Sua obra Experiências com hibridização de plantas, que não abrange mais de 30 páginas impressas, é um modelo de método científico. O que descobriu, e vem sendo ensinado desde 1900, se tornou imprescindível para a compreensão da Biologia moderna. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 183 Baseado em trabalhos já existentesacerca de hibridização de plantas ornamentais, mas que não haviam sido bem-sucedidos, tais como o trabalho de Kolreuter, Gartner, e outros, Mendel decidiu estudar o mesmo problema. O primeiro cuidado que teve foi seleccionar devidamente o material de estudo; para isso, estabeleceu alguns critérios e procurou material que se lhes adequassem. Foto: Gregor Johann Mendel. Fonte História de Biologia Tais critérios consistiam principalmente em: Encontrar plantas de caracteres nitidamente distintos e facilmente diferenciáveis; Que essas plantas cruzassem bem entre si, e que os híbridos delas resultantes fossem igualmente férteis e se reproduzissem bem; E, por fim, que fosse fácil protegê-las contra polinização estranha. Baseado nesses critérios, depois de várias análises, Mendel escolheu algumas variedades e espécies de ervilhas: Pisum sativum, conseguindo um total de sete pares de caracteres distintos. Mendel percebeu que o tempo faria justiça às suas descobertas. No entanto, o Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 184 seu trabalho permaneceu na obscuridade durante 35 anos, só depois destes anos é que foi reconhecido e lhe atribuído por mérito o nome de “Pai da Genética“, mérito que prevalesse até hoje, sobretuto no grande e humilde conhecimento dos Biólogos dos nossos tempos sobre a natureza, como mistério da vida. De facto, no ano de 1900, três botânicos, trabalhando independentemente com cruzamento de plantas, na Bélgica, na Alemanha e na Áustria, descobriram as leis de Mendel sobre a hereditariedade. O mendelismo tornou-se tema central da pesquisa biológica moderna. Mendel tinha a faculdade rara - tão essencial em ciência - de planejar e realizar uma experiência simples e bem delineada com o fim de obter resposta para uma questão bem definida. Ele foi um cientista dos cientistas. Os Estudos de Mendel Durante longos anos as preocupações acerca da herança biológica giravam em torno da necessidade de conhecer como se transmitiam as características hereditárias de geração para geração de organismos. A revolução na Genética aconteceu quando a ideia de mistura (mistura de características, mistura de sangue como responsáveis pelas semelhanças entre plantas e entre os animais) foi substituída pelo conceito de factor ou unidade de herança. A grande contribuição de Mendel foi demonstrar que as características herdadas são transportadas em unidades discretas que se transmitem separadamente – se redistribuem- em cada geração. Estas unidades discretas que Mendel chamou factores, são o que hoje conhecemos como genes. A hipótese de que cada indivíduo possui um par de factores para cada característica e que os membros de um par se segregam, isto é, se separam durante a formação dos gâmetas se conhece como Primeira Lei de Mendel ou Lei da Disjunção ou Segregação (não confundir com segregação independente). Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 185 A Segunda Lei de Mendel , ou lei da Segregação Independente, estabelece que, quando se formam os gâmetas, os alelos do gene para uma característica dada segregam-se independentemente dos alelos do gene para outra característica. (voltaremos a descrever estas leis a partir das figuras dos cruzamentos) Vamos chamar de linhagem os descendentes de um ancestral comum. Mendel observou que as diferentes linhagens, para os diferentes caracteres escolhidos, eram sempre puras, isto é, não apresentavam variações ao longo das gerações. Por exemplo, a linhagem que apresentava sementes da cor amarela produziam descendentes que apresentavam exclusivamente a semente amarela. O mesmo caso ocorre com as ervilhas com sementes verdes. Essas duas linhagens eram, assim, linhagens puras. Mendel resolveu então estudar esse caso em especifico. A flor de ervilha é uma flor típica da família das Leguminosae. Apresenta cinco pétalas, duas das quais estão opostas formando a carena, em cujo interior ficam os órgãos reprodutores masculinos e femininos. Por isso, nessa família, a norma é haver autofecundação; ou seja, o grão de pólen da antera de uma flor cair no pistilo da própria flor, não ocorrendo fecundação cruzada. Logo para cruzar uma linhagem com a outra era necessário evitar a autofecundação. Mendel escolheu alguns pés de ervilha de semente amarela e outros de semente verde, emasculou as flores ainda jovens, ainda não-maduras. Para isso, retirou das flores as anteras imaturas, tornando-as, desse modo, completamente femininas. Depois de algum tempo, quando as flores se desenvolveram e estavam maduras, polinizou as flores de ervilha amarela com o pólen das flores verdes, e vice-versa. Essas plantas constituem portanto as linhagens parentais. Os descendentes desses cruzamentos constituem a primeira geração em estudo Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 186 designada por geração F1, assim como as seguintes são designadas por F2, F3, etc. Sumário Gregor Johann Mendel, o seu trabalho genial, colocou-o no nível dos maiores cientistas da humanidade. Sua obra Experiências com hibridização de plantas, que não abrange mais de 30 páginas impressas, é um modelo de método científico. O que descobriu, e vem sendo ensinado desde 1900, se tornou imprescindível para a compreensão da Biologia moderna. Baseado em trabalhos já existentes acerca de hibridização de plantas ornamentais, mas que não haviam sido bem-sucedidos, tais como o trabalho de Kolreuter, Gartner, e outros, Mendel decidiu estudar o mesmo problema. O primeiro cuidado que teve foi seleccionar devidamente o material de estudo; para isso, estabeleceu alguns critérios e procurou materiais que se lhes adequassem. Baseado nesses critérios, depois de várias análises, Mendel escolheu algumas variedades e espécies de ervilhas: Pisum sativum, conseguindo um total de sete pares de caracteres distintos. O mendelismo tornou-se tema central da pesquisa biológica moderna. Mendel tinha a faculdade rara - tão essencial em ciência - de planejar e realizar uma experiência simples e bem delineada com o fim de obter resposta para uma questão bem definida. Mendel observou que as diferentes linhagens, para os diferentes caracteres escolhidos, eram sempre puras, isto é, não apresentavam variações ao longo das gerações. Para isso, retirou das flores as anteras imaturas, tornando-as, desse modo, completamente femininas. Os descendentes desses cruzamentos constituem a primeira geração em estudo designada por geração F1, assim como as seguintes são designadas por F2, F3, etc. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 187 Exercícios 1. Em que se basearam os trabalhos de Mendel? R: Baseado em trabalhos já existentes acerca de hibridização de plantas ornamentais, mas que não haviam sido bem-sucedidos, tais como o trabalho de Kolreuter, Gartner, e outros, Mendel decidiu estudar o mesmo problema. 2. Qual foi o primeiro cuidado que Mendel teve? R: O primeiro cuidado que teve foi seleccionar devidamente o material de estudo; para isso, estabeleceu alguns critérios e procurou materiais que se lhes adequassem. 3. Indique em que consistiam os critérios que Mendel usou? R: Tais critérios consistiam principalmente em: Encontrar plantas de caracteres nitidamente distintos e facilmente diferenciáveis; Que essas plantas cruzassem bem entre si, e que os híbridos delas resultantes fossem igualmente férteis e se reproduzissem bem; E, por fim, que fosse fácil protegê-las contra polinização estranha.Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 188 Experiência de Monohibridismo, de Dihibridismo; Leis de Mendel Introdução Prezado estudante, seja bem vindo ao estudo das leis de Mendel. As investgações feitas por Mendel, resultaram na formação de três leis que levam o seu nome de leis de Mendel. Portanto, está convidado para uma discussão sobre o tema proposto na presente unidade. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Aplicar as leis de Mendel; Conhecer as leis de Mendel; Interpretar as leis de Mendel; Compreender as leis de Mendel; Resolver exercícios sobre as leis de Mendel. Experiência de Monohibridismo, de Dihibridismo Porque razão Mendel utilizou ervilheiras para a realização das suas experiencias? Mendel escolheu ervilheiras porque têm muitas vantagens em relacção às outras plantas: São fáceis de cultivar, Têm grande número de descendentes por geração Possui flores hermafroditas com polinização directa Muitas variedades que possibilitam vários tipos de experiências Fácil manipulação Quais são as caracteristicas que podem ser observáveis em ervilheiras? Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 189 A forma da semente (lisa ou rugosa); Cor dos cotilédones (amarela ou verde); Forma da vagem (lisa ou rugosa); Posição da flôr (axilar ou terminal); Comprimento do caule (longo ou curto). Experiência de Monohibridismo (estudo de uma característica) Mendel cruzou uma planta pura de sementes amarelas com uma planta pura de sementes verdes, transferindo o pólen das anteras das flores de uma planta para os estigmas das flores de outra planta. Estas plantas constituiram a geração progenitora ou parental (P). As flores assim polinizadas originaram vagens de ervilhas que continham somente sementes amarelas. Estas ervilhas, que são sementes, constituiram a geração F1.Quando as plantas F1 floresceram Mendel deixou que se autopilinizassem. As vagens que se originaram das flores autopolinizadas (geração F2) continham tanto sementes amarelas como verdes, em uma relação de 3:1, ou seja aproximadamente ¾ eram amarelas e ¼ verdes. (Veja figura 5.2) Ao observar a figura vai notar que a legenda está escrita em espanhol e que por isso deve considerar a tradução: Semillas = sementes ; Generacíon = Geração; Variedad = Variedade Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 190 Fig. 5.2. Esquema de uma das experiências de Mendel (transmissão da côr da semente em ervilheira) Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 191 As Leis de Mendel As investgações feitas por Mendel, resultaram na formação de três leis que levam o seu nome “As Leis de Mendel”. 1. A primeira lei de Mendel: chamada de lei da segregação ou lei da pureza dos gâmetas, pode ser enunciada da seguinte forma: na formação dos gâmetas, os pares de factores se segregam ou seja, os indivíduos da primeira geração filial de pais de linha pura são iguais entre si. Resultados em F1: Todas as sementes obtidas em F1, foram amarelas, portanto iguais a um dos pais. Uma vez que todas as sementes eram iguais, Mendel plantou-as e deixou que as plantas quando florescessem, autofecundassem-se, produzindo assim a geração F2. Imagem: Ilustração de Acasalamentos Dihíbridos. Fonte: Genética da Vida A primeira Lei de Mendel ou princípio da disjunção ou segregação (não confundir com segregação independente) estabelece que cada indivíduo leva um par de factores para cada característica e que os membros de um par se segregam ou sofrem disjunção, isto é se separam, durante a formação dos gâmetas. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 192 Se os membros de um par são iguais se diz que o indivíduo é homozigótico para a característica determinada por esse gene; se são diferentes, o indivíduo é heterozigótico para essa característica. As diferentes formas de um gene são conhecidas como alelos. A constituição genética de um organismo se denomina genótipo. As características observáveis ou detectáveis por outros métodos se conhecem como fenótipo. Um alelo que se expressa no fenotipo de um indivíduo heterozigótico, com exclusão de outro alelo, é um alelo dominante, aquele cujo efeito não se observa no fenótipo heterozigótico é um alelo recessivo. Em cruzamentos que envolvem dois heterozigóticos para um gene, na descendência, a relacção entre os fenótipos dominante em relacção ao recessivo será de 3:1. A primeira Lei de Mendel surgiu dos resultados obtidos por Mendel nos cruzamentos monohibridos, isto é, do estudo da transmissão de uma característica. Na realização deste tipo de cruzamento Mendel usava indíviduos que fossem linhas puras para essa característica. Por exemplo cruzou uma planta linha pura de caule alto com uma planta linha pura de caule baixo; uma planta linha pura de flores vermelhas com uma planta linha pura de flores brancas; procedendo assim para as sete características estudadas na ervilheira. Para se certificar que os progenitores eram linhas puras Mendel deixava que as plantas se autofecundassem durante várias gerações. Se uma planta de sementes amarelas autofecundada várias vezes só produzia sementes amarelas então ele concluia que se tratava de uma linha pura. Procedeu assim sempre que precisou de obter linhas puras para uma determinada característica. Para cruzar as duas plantas puras, ele retirava o pólen de uma e colocava no estigma das flores da outra planta. Essas plantas da geração progenitora (P) produziam as sementes (no caso da figura anterior, todas amarelas) que ao serem semeadas constituiam as plantas da primeira geração filial (F1). Ao se cruzarem, entre si as Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 193 plantas de F1 obteve-se as sementes de F2 . (no caso apresentado na figura 5.2. os descendentes F2 tinham sementes amarelas e verdes. Observação No esquema da figura seguinte 5.3. observar a essência da Lei da Disjunção dos factores hereditários (hoje conhecidos como genes). Em cada indivíduo existem dois factores que determinam uma característica (dois alelos de um gene). Quando se formam os gâmetas os factores (alelos) de cada par se separam, recebendo cada gâmeta apenas um factor (alelo) de cada par. Por essa razão esta Lei de Mendel também é conhecida como Lei da Pureza dos gâmetas. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 194 Fig. 5.3.Esquema da disjunção ou segregação dos alelos durante a formação dos gâmetas (Flores púrpuras =flores vermelhas; flores blancas= flores blancas) Uma planta homozigótica para flores vermelhas se representa aquí com os símbolos BB já que o alelo para flor vermelha é dominante (B). Esta planta BB só produz gâmetas com o alelo para côr vermelha (B), sejam femininos ou masculinos, veja (a) na figura. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 195 Do mesmo modo uma planta de flores brancas é homozigótica recessiva (bb) e somente produz gâmetas com o alelo para flôr branca (b) sejam femininos ou masculinos.veja (b) na figura. Finalmente, uma planta heterozigótica (Bb) possui flores vermelhas já que o alelo para flor vermelha (B) é dominante sobre o alelo para flôr branca (b); esta planta produz a metade dos gâmetas com o alelo(B) e metade com o alelo (b), sejas eles gâmetas femininos ou masculinos. veja (c) na figura acima Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 196 Fig.5.5.Esquema representando o princípio da segregação de Mendel Neste esquema mostra-se as gerações F1 e F2 depois do cruzamento de plantas da geração P, uma planta homozigótica dominante para flores vermelhas (BB) e uma planta homozigótica recessiva para flores brancas (bb). O fenótipo da descendência (ou progenie) deste cruzamento – a geração F1- é vermelha mas o seu genótipo é Bb.A F1 heterozigótica produz dois tipos de gâmetas B (masculinos e femininos) e b (masculinos e femininos), em proporções iguais. Quando esta planta Bb é autopolinizada, os gâmetas masculinos e femeninos B e b se combinam ao acaso e formam em média: ¼ BB (vermelha); 2/4 (ou 1/2) Bb (vermelha) e ¼ bb (branca) A relação fenotípica subjacente se expressa como 3:1. A distribuição das relações fenotípicas da F2 mostra-se no quadro de Punnett anterior. (Este tipo de quadro recebeu o nome do geneticista inglês que utilizou este tipo de diagrama para a análise das características determinadas genéticamente. Consulte a parte A do módulo onde poderá encontrar uma explicação para os casos em que se considera a existência de três leis de Mendel em vez de duas. Também encontrará exercícios sobre monohibridismo e comentários sobre o tratamento desta matéria na escola. A experiência de Dihibridismo 2. A Segunda Lei de Mendel: Mendel, depois de ter concluido sua primeira lei (lei da segregação) criou mais uma, a segunda Lei de Mendel ou Lei da segregação independente, o que significa que a segregação é aleatória. Após o estudo detalhado de cada um dos sete pares de caracteres em ervilhas, Gregor Mendel passou a estudar dois pares de caracteres de cada vez. Para realizar estas experiências, Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 197 Mendel usou ervilhas de linhagens puras com sementes amarelas e lisas e ervilhas também puras com sementes verdes e rugosas. Imagem: Ilustração da Segunda Lei de Mendel. Fonte: internet Portanto, os cruzamentos que realizou envolveram os caracteres cor (amarela e verde) e forma (lisas e rugosas) das sementes, que já haviam sido estudados, individualmente, concluindo que o amarelo e o liso eram caracteres dominantes. Mendel então cruzou a geração parental (P) de sementes amarelas e lisas com as ervilhas de sementes verdes e rugosas, obtendo, em F1, todos os indivíduos com sementes amarelas e lisas, como os pais dominantes. o resultado de F1 já era esperado por Mendel, uma vez que os caracteres amarelo e liso eram dominantes. Posteriormente, realizou a autofecundação dos indivíduos F1, obtendo na geração F2 indivíduos com quatro fenótipos diferentes, incluindo duas combinações inéditas (amarelas e rugosas, verdes e lisas). Os números obtidos aproximam-se bastante da proporção 9 : 3 : 3 : 1 . Observando-se as duas características, simultaneamente, verifica-se que obedecem à Primeira Lei de Mendel. Em F2, se considerarmos cor e forma, de modo isolado, permanece a proporção de três dominantes para um recessivo. Analisando os resultados da geração F2, percebe-se que a característica cor da semente segrega-se de modo independente da característica forma da semente e vice-versa. Essa geração dos genes , independente e ao acaso, constituiu-se no fundamento básico da Segunda lei de Mendel ou Lei da segregação independente. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 198 Resumindo, essa lei baseia-se na habilidade dos seres de "misturar" suas características. Exemplo: semente amarela lisa, pode ser amarela enrugada ou verde lisa, não necessariamente amarela lisa ou verde enrugada. Prováveis combinações entre os gametas: Proporção fenotípica obtida: 9/16 → ervilhas com característica lisa e amarela; 3/16 → ervilhas com característica lisa e verde; 3/16 → ervilhas com característica rugosa e amarela; 1/16 → ervilhas com característica rugosa e verde. Mendel concluiu que as características analisadas não dependiam uma das outras, portanto, são consideradas características independentes. Resultados em F2 As sementes obtidas na geração F2 foram amarelas e verdes, na proporção de 3 para 1, sempre 3 amarelas para 1 verde. Inclusive na análise de dois caráteres simultaneamente, Mendel sempre caía na proporção final de 3:1. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 199 Imagem: Ilustração de Acasalamentos Dihíbridos. Fonte: Genética da Vida Depois de ter estudado os sete caráctere em separado Mendel tentou acompanhar a transmissão de dois carácteres no mesmo cruzamento. Assim, por exemplo, numa das suas experiências, Mendel estudou a transmissão simultânea da côr da semente (amarela ou verde) e da forma da semente (lisa ou rugosa). Veja na figura seguinte o esquema da experiência realizada. Para analisar o esquema a seguir considere que os alelos dos genes estão simbolizados da seguinte forma: Gene para forma da semente Gene para côr da semente R – semente lisa (redonda) A – semente amarela r — semente rugosa a – semente verde Considere ainda a tradução do espanhol para o português: Gametos= gâmetas Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 200 Autofecundación= Autofecundação Femeninos= femeninos Amarillo= Amarelo Fig. 5.6. Esquema representando o princípio da distribuição independente de Mendel Uma planta homozigótica de sementes redondas ou lisas (RR) e amarelas (AA) se cruza com uma planta que tem sementes rugosas (rr) e verdes (aa). Toda a geração F1 tem sementes redondas e amarelas (RrAa). Na geração F2, das 16 combinações possíveis na descendência, 9 mostram as duas variações dominantes (redonda e amarela); 3 mostram uma combinação dominante e outra recessiva (redonda e amarela); 3 mostram uma combinação recessiva e outra dominante Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 201 (rugosa e amarela) e 1 mostra as duas características recessivas (verde e rugosa). Esta combinação fenotípica 9:3:3:1 sempre é o resultado esperado de um cruzamento em que intervêm dois genes que se distribuem independentemente, cada um com um alelo dominante e outro recessivo em cada um dos progenitores. A Terceira Lei de Mendel: também conhecida como: Lei da Recombinação dos Genes, explica que cada uma das características puras de cada variedade (cor, rugosidade da pele, etc) se transmitem para uma segunda geração de maneira independente entre si. Portanto, na maneira mais simples, podemos dizer que: a distribuição de um par de alelos é independente da distribuição de outros pares de alelos. Polihibridismo Quando são analisados mais de dois pares de alelos que condicionam mais de duas características, temos o triibridismo, tetraibridismo, etc, que constituem o poliibridismo. Para se calcular o número de gametas diferentes produzidos por um poliíbrido se utiliza a fórmula 2n, onde n é o número de pares de genes heterozigotos (híbridos). Exemplo de Polihibridismo: Quantos gâmetas diferentes forma o genótipo AaBBCcddEe Número de híbridos: 3 O segundo princípio de Mendel, ou Lei da Segregação (ou distribuição) independente, se aplica ao comportamento de dois ou mais paresde genes diferentes. Este princípio estabelece que os alelos de um gene se segregam (ou se distribuem) independentemente dos alelos de outro gene. Quando se cruzam organismos heterozigóticos para cada um dos genes que se distribuem independentemente a relação fenotípica esperada na descendencia é 9:3:3:1. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 202 Número de gâmetas = 23 = 8 gâmetas diferentes Interpretação dos Resultados Para explicar a ocorrência de somente sementes amarelas em F1 os dois tipos em F2, Mendel começou admitindo a existência de factores que passassem dos pais para os filhos por meio dos gâmetas. Cada factor seria responsável pelo aparecimento de um carácter. Assim, existiria um factor que condiciona o caráter amarelo e que podemos representar por V (maiúsculo), e um factor que condiciona o caráter verde e que podemos representar por v (minúsculo). Quando a ervilha amarela pura é cruzada com uma ervilha verde pura, o híbrido F1 recebe o factor V e o factor v, sendo portanto, portador de ambos os factores. As ervilhas obtidas em F1 eram todas amarelas, isso quer dizer que, embora tendo o factor v (minúsculo), esse não se manifestou. Mendel chamou de "dominante" o factor que se manifesta em F1, e de "recessivo" o que não aparece. Utiliza-se sempre a letra do caráter recessivo para representar ambos os caráteres, sendo maiúscula a letra do dominante e minúscula a do recessivo. Continuando a análise, Mendel contou em F2, o número de indivíduos com carácter recessivo, e verificou que eles ocorrem sempre na proporção de 3 dominantes para 1 recessivo. Mendel chegou a conclusão que o factor para verde só se manifesta em individuos puros, ou seja com ambos os factores iguais a v (minúsculo). Em F1 as plantas possuíam tanto os factores V quanto o factor v sendo, assim, necessariamente amarelas. Podemos representar os indivíduos da geração F1 como Vv (heterozigótico, e, naturalmente, dominante). Logo para poder formar indivíduos vv (homozigóticos recessivos) na geração F2 os gâmetas formados na fecundação só poderiam ser vv. Esse facto não seria possível se a geração desse origem a gâmetas com factores iguais aos deles (AV). Isso só seria possível se ao ocorrer a fecundação houvesse uma segregação dos factores A e V presentes na Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 203 geração F1, esses factores seriam misturados entre os factores A e V provenientes do pai e os factores A e V provenientes da mãe. Os possíveis resultados sendo: AA, AV, VA e VV. Esse facto foi posteriormente explicado pela meiose, que ocorre durante a formação dos gâmetas. Mendel havia criado então sua teoria sobre a hereditariedade e da segregação dos factores. Sumário A primeira lei de Mendel: chamada de lei da segregação ou lei da pureza dos gâmetas, pode ser enunciada da seguinte forma: na formação dos gâmetas, os pares de factores se segregam ou seja, os indivíduos da primeira geração filial de pais de linha pura são iguais entre si. A segunda lei de mendel: mendel, depois de ter concluido sua primeira lei (lei da segregação) criou mais uma, a segunda lei de mendel ou lei da segregação independente, o que significa que a segregação é aleatória. Para realizar estas experiências, Mendel usou ervilhas de linhagens puras com sementes amarelas e lisas e ervilhas também puras com sementes verdes e rugosas. A terceira lei de mendel: também conhecida como: lei da recombinação dos genes, explica que cada uma das características puras de cada de cada variedade (cor, rugosidade da pele, etc) se transmitem para uma segunda geração de maneira independente entre si. Portanto, na maneira mais simples, podemos dizer que: a distribuição de um par de alelos é independente da distribuição de outros pares de alelos. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 204 Exercícios 1. Enuncie as leis de Mendel R: A primeira lei de Mendel: chamada de lei da segregação ou lei da pureza dos gâmetas, pode ser enunciada da seguinte forma: na formação dos gâmetas, os pares de factores se segregam ou seja, os indivíduos da primeira geração filial de pais de linha pura são iguais entre si. A segunda lei de Mendel: Mendel, depois de ter concluido sua primeira lei (lei da segregação) criou mais uma, a segunda lei de Mendel ou lei da segregação independente, o que significa que a segregação é aleatória. A terceira lei de Mendel: também conhecida como: lei da recombinação dos genes, explica que cada uma das características puras de cada de cada variedade se transmitem para uma segunda geração de maneira independente entre si. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 205 Cruzamento Teste Um cruzamento teste é feito com um indivíduo com uma característica fenótipica dominante mas de genótipo desconhecido ( pode ser homozigótico dominante ou heterozigótico) que cruza com um indivíduo que tenhamos a certeza do genótipo, ou seja um homozigótico recessivo. O objectivo é determinar o genótipo desconhecido. Se na descendência de um cruzamento teste aparecem indivíduos com os dois fenótipos possíveis, o indivíduo cujo genótipo era desconhecido era heterozigótico; se ao contrário na descendência somente aparece o fenotipo dominante, o indivíduo é homozigótico para o gene dominante. Vejamos o exemplo seguinte da transmissão do gene para a côr da flor em ervilheira. Sendo o alelo para a côr da flôr vermelha (ou púrpura) dominante em relação ao alelo para a côr branca, para que uma flôr seja branca ela deve ser homozigótica para o alelo recessivo (bb) . Mas uma flôr de côr púrpura ou vermelha pode ser homozigótica dominante (BB) ou heterozigótica (Bb). Como distinguir uma da outra ? Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 206 Fig.5.7.Cruzamento Teste Os Geneticistas resolveram este problema cruzando estas plantas vermelhas com plantas de flores brancas. Este tipo de experiência se conhece como cruzamento teste. Como se mostra na figura acima, a relacção fenotípica na geração F1, de igual número de plantas de flôr vermelha e de plantas de flôr branca (1:1), indica que a planta com flôr vermelha (ou púrpura) utilizada como progenitor no cruzamento teste, era heterozigótica. Atenção à figura! Aqui, partiu-se do princípio, que ao realizar o teste, a planta com flor vermelha seria homozigótica (BB). O resultado do teste mostrou que, na descendência, apareciam plantas de flores brancas (bb). Logo o progenitor de flores vermelhas que foi testado produziu gâmetas com o alelo para flor branca (b) e gâmetas com o alelo para flôr vermelha (B). Então a planta em questão não poderia ser homozigótica (BB) mas heterozigótica (Bb). Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 207 Veja a parte A do módulo sobre aplicação do cruzamento teste e aplicação das leis de Mendel e ficha de trabalho 6 Avaliações actuais das conclusões de Mendel Embora Mendel seja considerado o “pai da Genética”, algumas das conlusões por ele tiradas não são hoje tão válidas como quando elas foram descobertas. Mendel considerou um único gene como responsável por um carácter. Agora sabe-se que muitos genes estão envolvidos na manifestação de um só carácter. São os genes que são herdados e não os carácteres(caracteristicas). A visão de Mendel da dominância, como uma propriedadeinerente e fundamental de um alelo sózinho, não é mais válida para todos os casos. Os conceitos mais importantes inferidos por Mendel foram DISJUNÇÃO e SEGREGAÇÃO INDEPENDENTE. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 208 Genética Mendeliana e Probabilidade Resolução de exercicios Introdução Prezado estudante, seja bem-vindo a Genetica Mendeliana e probabilidade, resolução de exercicios. As investgações feitas por Mendel, resultaram na formação de Leis e resolução de problemas sociais que na sua maioria podem e devem recorrer a probabilidadade e estatística. Portanto, está convidado para uma discussão sobre o tema proposto na presente unidade. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Aplicar as leis de Mendel na resolucao de exercicios Conhecer as leis de Mendel e sua probabilidade Interpretar as leis de Mendel; Compreender as leis de Mendel na resolucao de exercícios. Resolver exercícios sobre as leis de Mendel. GENÉTICA MENDELIANA Mendel cruzando 2 indivíduos com aspectos diferentes, amarelo e verde, observou, na 1ª geração que todas as plantas apresentavam o mesmo aspecto amarelo. Deduziu que haveria um factor para amarelo (A) mais forte que dominava o verde (a), a partir disso Mendel descartou a herança mesclada. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 209 Na geração seguinte a cor verde reapareceu, em proporções menores .Mendel deduziu que o factor para verde (a) deveria estar presente nos indivíduos amarelos da 1ª geração, porém este factor recessivo estaria encoberto pelo factor dominante amarelo, na forma heterozigota Aa. Assim tais factores estariam combinados aos pares nos indivíduos, e seriam segregados ou separados quando da formação dos gâmetas. NOÇÕES DE PROBABILIDADE • Um dos motivos do sucesso do trabalho de Mendel foi a utilização dos métodos estatísticos para interpretar os resultados obtidos. • A teoria de probabilidade é usada para estimar matematicamente resultados de evento aleatório. • Mendel partiu do princípio de que a formação de gâmetas seguia as leis de probabilidade, no tocante a distribuição dos factores. P= A/S P - Probabilidade de um evento ocorrer. A - Numero de eventos desejados. S - Numero total de eventos possíveis. REGRAS DA PROBABILIDADE Regra de Produto/e Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 210 • A probabilidade de dois ou mais eventos independentes ocorrerem simultaneamente é igual ao produto da probabilidade de ocorrer separadamente. Ex: Um casal deseja ter 2 filhos, sendo o 1° menino e o 2°menina.Qual é a probabilidade de que isso ocorra? Resolução • Como uma criança ao ser concebido pode ser menina ou menino, com iguais possibilidades, conclui-se que a probabilidade de uma criança ser menina é de ½ e a de ser menino também é de ½. Mas o casal deseja que a primeira criança seja menino e que a segunda seja menina. Estes eventos são independentes, uma vez que o facto do primeiro filho ser menino não impede que a segunda criança seja menina. Logo aplicando-se a regra de produto temos: P (primeiro ♂ e segundo ♀) =½ x ½ = ¼ Regra da Adição /’’ou’’ • Usa-se a regra de adição para saber qual é a probabilidade de que ocorra um ou outro evento mutuamente exclusivos. • Ex: No casamento especificado será estimada a probabilidade de nascer um menino de olhos castanhos ou uma menina de olhos azuis. P(A) = P(meninos de olhos castanhos) 3 8 P(B) = (meninas de olhos azuis) = 1 8 P(A ou B) = P(A)+P(B) = 3 + 1 = 1 8 8 4 Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 211 PROBABILIDADE E A PRIMEIRA LEI DE MENDEL • Aplicando as noções aprendidas nas experiências de Mendel , na geração parental os indivíduos possuidores de sementes amarelas eram homozigotos dominantes e os possuidores de sementes verdes , homozigotos recessivos. • Na meiose esses indivíduos formavam apenas um tipo de gâmeta: • O individuo AA formava apenas gâmeta A e o individuo aa , apenas gâmeta a , assim , a probabilidade de ocorrer um gâmeta A é 100% e a de ocorrer a é também 100%. • A probabilidade de gâmeta A e a se encontrar é dada pela multiplicação das probabilidades isoladas. • Na geração F1 espera-se que 100% dos indivíduos sejam Aa que produz 50% de gâmetas A e 50% de a pois os alelos separam-se na formação de gâmetas. • P(gameta A) = 1 2 • P(gâmeta a) =1 2 • Esses indivíduos produzem gâmetas masculinos e femininos que se encontram ao acaso. Podendo-se obter as combinações a seguir. ♀ ♂ ½ A ½ a Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 212 • A probabilidade de um gâmeta feminino A encontrar um gâmeta masculino A dada pela multiplicação das probabilidades de ocorrer cada gâmeta, e o mesmo raciocínio é aplicado para a probabilidade de um gâmeta a encontrar outro gâmeta a. • P(A e A)=P(A)x P(A)= 1 x 1 = 1 2 2 4 • P(a e a)=P(a)xP(a) = 1 x 1 = 1 2 2 4 • Esses são casos de probabilidade de eventos independentes e iguais. • Para os híbridos mais uma etapa deve ser acrescentada, aqui apresenta-se duas probabilidades: o gâmeta feminino A encontrar-se com o gâmeta masculino a, • Ou o gâmeta feminino a pode encontrar-se com o gâmeta masculino A. Nos dois casos formam-se híbridos, assim, calculamos isoladamente cada uma das probabilidades e assomamos a seguir: é a regra das probabilidades de ocorrência 1/2A 1/2x1/2=1/4AA 1/2x1/2=1/4Aa ½ a 1/2x1/2=1/4Aa 1/2x1/2=1/4aa Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 213 de dois eventos independentes e diferentes em que a ordem não é importante. • P(A e a)= 1 x 1 = 1 2 2 4 • P(a e A)=1 x 1 =1 2 2 4 • P(Aa)=P(A e a) +P(a e A) • P(Aa)=1/4 + ¼=2/4=1/2 • As proporções genotípicas esperadas em F2 de Mendel são portanto 1/4AA: 2/4Aa: 1/4aa ou simplesmente 1:2:1 .Essas foram as proporções que Mendel obteve. Para calcular as proporções fenotípicas, utiliza-se a regra dos eventos mutuamente exclusivos, a probabilidade de ocorrer sementes amarelas é dada pela soma da probabilidade de ocorrer o genótipo AA ou Aa . • P(amarela)=P(AA)+P(Aa) • P(amarela)=1/4+2/4 • P(amarela)=3/4 • A probabilidade de ocorrer semente verde em F2 é dada apenas pelo genótipo aa sendo, portanto ¼. • As proporções fenotípicas esperadas em F2 de Mendel são ¾ amarelas ¼ verde ou simplesmente 3:1. Essas foram as proporções que Mendel o Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 214 PROBABILIDADE E A SEGUNDA LEI DE MENDEL • As proporções fenotípicas obtidas por Mendel em F2 foi de 9:3:3:1 ,sendo o numero 9 • referente á ocorrência de dois fenótipos dominante na mesmasemente, o 3 á de um fenótipo dominante e um recessivo e 1 a de dois fenótipos decessivos. • Como surge essa proporção? • Uma maneira simples de dicifra-la conciste em separar os resultados e analiza-los individualmente em relação a cada um dos caracteres, ao fazer isso obtem-se • P liso x rugoso • F1 lisas • F2 ¾ lisas : ¼ rugosas • P amarela x verde • F1 amarela • F2 ¾ amarela : 1/4 verde • • Como a probabilidade de uma semente ser verde ou amarela não depende da probabilidade de ela ser lisa ou rugosa , quando se precisar saber a probabilidade de obter uma semente que seja lisa e , ao mesmo tempo amarela devemos fazer o seguinte: • P(lisa) x P(amarela) Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 215 • ¾ x ¾ =9/16 • Da mesma forma : • - semente lisa e verde • ¾ x ¼ = 3/16 • - semente rugosa e amarela • ¼ x ¾ = 3/16 • - semente rugosa e verde • ¼ x ¼ =1/16 • Semente lisa: RR P: RRAA x rraa • Semente rugosa:rr G G:RA RA RA RA ra ra ra ra • Cor amarela:AA • Cor verde :aa P : RrAa x RrAa • G: RA Ra rA ra RA Ra rA ra ♂ ♀ RA RA RA RA ra RaAa RrAa RrAa RaAa ra RaAa RrAa RaAa RrAa ra RrAa RrAa RrAa RrAa ra RrAa RrAa RrAa RrAa Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 216 • GENÓTIPO FENÓTIPO 1. RRAA 2. RRAa = 9/16 semente lisa de cor amarela 3. RrAA 4. RrAa ♂ ♀ RA Ra rA ra RA RRAA RRAa RrAA RrAa Ra RRAa RRaa RrAa Rraa ra RrAa Rraa rrAa rraa rA RrAa Rraa rrAA rrAa • 1-RRaa • 2-Rraa = 3/16 semente lisa de cor verde • 1-rrAA • 2-rrAa =3/16 semente rugosa de cor amarela • 1-rraa =1/16 semente rugosa e verde Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 217 Resolução de exercicios sobre Lei de Mendel (Dihibridismo) Após realizar experimentos que resultaram no enunciado do Princípio da Segregação Simples, Mendel resolveu combinar duas características por planta de ervilha para verificação dos descendentes e deste modo realizou aquilo que terminou ficando conhecido como dihibridismo. Como estudou as mesmas características que havia estudado nos cruzamentos monohíbridos, o dihibridismo mendeliano se caracterizou por um mecanismo de dominância completa para os genes envolvidos. Um aspecto diferencial surgido foi o de que a segregação de cada par de gene envolvido era independente e por isso o princípio resultante ficou conhecido como da Segregação Independente ou 2ª Lei de Mendel. Para melhor ilustrar, representamos, em seguida, o cruzamento de ervilhas considerando a cor e a forma do grão . Geração Parental Ervilha amarela e lisa X Ervilha verde e rugosa VVRR vvrr G: VR vr Geração Filial 1 (F1) Ervilhas amarelas e lisas (100 %) VvRr X VvRr (autofecundadas) Geração Filial 2 (F2) Ervilhas amarelas e lisas (56,25 %) VVRR, VvRR, VVRr, VvRr (01) (02) (02) (04) Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 218 Ervilhas amarelas e rugosas (18,75 %) VVrr, Vvrr (01) (02) Ervilhas verdes e lisas (18,75 %) vvRR, vvRr (01) (02) Ervilhas verdes e rugosas ( 6,25 %) vvrr (01) Portanto, a proporção fenotípica na geração F2 de um dihibridismo com dominância completa é de 9 : 3 : 3 : 1. Com o desenvolvimento da estatística foi possível fazer a previsão dos descendentes de dihíbridos a partir dos produtos das probabilidades dos descendentes dos monohibridismos envolvidos, conforme pode ser visto no esquema abaixo. Monohibridismo1 Monohibridismo 2 Ervilha amarela x Ervilha verde Ervilha lisa x Ervilha rugosa Geração F1 Ervilhas amarelas (100 %) Ervilhas lisas (100 %) Geração F2 3 Ervilhas amarelas : 1 Ervilha verde 3 Ervilhas lisas : 1 Ervilha rugosa Produto Dihíbrido 9 amarelas lisas : 3 amarelas rugosas : 3 verdes lisas : 1 verdes rugosas Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 219 Exercicios sobre 3ª Lei de Mendel Segregação Independente também se aplica aos tri e polihibridismos A lei de segragação independente dos caracteres. A terceira de Mendel diz que a distribuição de um par de gene é independente dos outros pares ou por outras palavras,os genes de duas ou mais caracteristicas transmitem se independentemente e recombinam ao caso. A base citologica dessa segregação independente é a meiose em cujo o decurso dois cromossomas de um par sempre encontram se em gametas diferentes, distribuem se entre elesao acaso, os gametas por sua vez tambem por acaso com a mesma probabilidade de encontro combinam no processo de combinacao. Sentido Biologico da meiose é variação da especie atravez de combinação ao acaso dos gametas. Suponha que cruzou progenitores que diferem entre si por dois pares de caracteres alelomorfica: -Planta 1 com flores vermelhas ccom flolhas largas. - Planta 2 com flores brancas e com folhas estreitas. Os resultados obtidos na segunda geraçao foram: - 9 plantas com flores vermelhas e folhas Largas, -3 plantas com flores vermelhas e folhas extreitas -3 plantas com flores brancas e folhas largas - e uma planta com flores brancas e folhas brancas. a) Quais são os caracteres dominantes? R: a maioria é que são dominante Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 220 c) Explica o aparecimento dos caracteres recebidos nos individuos da F2? R: distribuição de um par de gene é independente na disjunção de caracter e recombinação ao acaso. Suponha que numa planta, a cor branca do fruto seja condicionada por um gene dominante B, e a cor amarelo pelo alelo b. A forma viscoide de fruto é condicionada por um gene E e a forma esferica pelo alelo “ e “ . Cruzando-se uma planta de cor branca e esferica heterozigota para a cor.com uma planta de cor amarela e descoide heterozigota para a forma. Quais são possiveis genotipos e fenotipos dos descendentes e em que propoção estão esperadas? B-cor Branca b-cor amarelo E-forma descoida e- forma esferica linha pura- 1 tipo de gameta Hetrozigoticos 2 tipos de gametasP; Bbee x bbEe G; Be bE be be o o Be be bE BbEe bbEe eb Bbee bbee Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 221 ¼ BbEe Branco discoide ¼ bbEe Amarelo discoide ¼ Bbee branco esferrico ¼ amaerlo esferica Formação de Gametas Para evitar a repetição e a formação de um dado genotipo se os seguintes principio; 1o qualquer gameta deverá ter um gene de cada par (2ª lei de Mende) sendo que cada gene segrega-se com qualquer gene de outros pares (3ª lei de Mende). 2º Formam-se x tipo de gametas em igual proporção ja que cada tipo de é tao próvavel como de qualquer outro. 3º sem aletrar a ordem os pares de gene dos genetipos encontram se os pares heterozigotico da esquerda para direita é igual a n=no de pais ecterozigoticos. 4o Depois de encontrar o no total de de tipos de de gametas que este genotipo pode formar ( com a ajuda da formula 2n=x ) estabelece se a enumeracao de 1---- X na vertical onde x será igual ao número de de tipo de gameta. 5o Estabelecida a enumeração, escreve-se em lugar genes dominantes do prmeiro par de heterozigotico ao longo dos primeiro numeros até a metade, a otrametade será pelo geno recessivo alelo. NB: Nao alterar a ordem da sequencia nos pares de genes no genotipo dado. 6º Dos pares heterozigoticos seguintes, os os genes dominantes e recessivos destribuem se alternativamente em grupos de 1,2, 4, 8, 16, 32 e.t.c.( regra dos dobros), genes do mesmo tipo da direita para esquerda ao longo da numeração 1-x. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 222 NB. Para ter em atenção os numeros dos gurpos de alternancia escrevem se sobre os respectivos pares hecterozigotico. NB: Para ter em atensão os nos dos grupos de alternancia escrevem-se sobre os respectivos pares de hecterozigoticos. 7 Para evitar confusao em pares homozigoticos, elimina-se um dos genes visto que todos condicionam a mesma caracteristica . O gene que fica de escreve-se ao longo da numeração 1-x. Por ex: formar o numero dos gametas dos seguintes genotipos: Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 223 AaBBCc x-tipo de gameta n=no de pares hecterozigoticos formula: 2n=x A2aBBC1c n=2 x=2n x=22 x=4 1 ABC 2 Abc 3 aBC 4 aBc Quantos nos de heterozigotico? Ex2: aaBbDd X=2n X=22 x=4 aaBb2D1d A direcção de começo arrumar os gamtas 1- aBD 2- aBd 3- abD 4- abd Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 224 Ex3; AaBBccDDEeFFGg Aa4BBccDDE2eFFG1g n=3 x=2n x=23 x=8 1-ABcDEFG 2-ABcDEFg 3-ABcDeFG 4-ABcDeFg 5-aBcDEFG 6-aBcDEFg 7-aBcDeFG 8-aBcDeFg Exercicios: Nos coelhos, o pelo curto é determinado por um gene. L-curto e pelo comprido por seu alelo l- comprido. O pelo preto resulta da acção do genotipo dominante B-preto. O pelo castanho pelo genotipo recessivo b-castanho. Pergunta: Que proporções genotipica e fenotipicas esperaria do cruzamento dihibrido curto e preto e um homozigotico curto e castanho? P: LlBb X LLbb n=2 n=0 Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 225 x=2n x=2n X= 4 x=20 G: x=1 1-L B 2-L b 1-Lb 3- l B 4- l b Genotipo: ¼= LLBb ¼=LLbb ¼=LlBb ¼ =Llbb Fenotipo: 50% curtos e pretos 50% curtos e castanhos o o Lb LB LLBb Lb LLbb lB LlBb lb Llbb Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 226 Exercícios A cor da flor de uma planta é determinada por dois genes alelos: "P", dominante, determina a cor púrpura e "p", recessivo, determina a cor amarela. Os resultados de vários cruzamentos feitos com diversas linhagens dessa planta foram: - I x pp originou 100% púrpura - II x pp originou 50% púrpura e 50% amarela - III x pp originou 100% amarela - IV x Pp originou 75% púrpura e 25% amarela Apresentam genótipo "Pp" as seguintes linhagenstada. a) Linhagem I b) Linhagem II c) Linhagem III d) Linhage Autoavaliação 1.O que diz a 1ª lei de Mendel? R:Na formação dos gametas, os pares de fatores se segregam. Ao cruzar indivíduos RR com rr, obteve-se 100% da geração F1 Rr, porém apenas o fator dominante se expressava. E ao cruzar os híbridos da geração F1, 3/4 dos indivíduos eram dominantes e 1/4 eram recessivos. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 227 Unidade 06: Relacção Alélica Genes Alelos Os genes que ocupam o mesmo locus em cromossomos homólogos são denominados genes alelos. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 228 Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 229 Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 230 Cromossomas homólogos Um emviado pela mãe e outro pelo pai. Apresenta os mesmos genes nos mesmos locis genicos. Encontrados em indivíduos 2n (diplóides). (www.biozula.com.br, 2011) Dominância Alelos que se expressam da mesma forma nas condições homozigótica e heterozigótica são chamados dominantes. • Ex: Indivíduos RR e Rr para o fator Rh são Rh+. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 231 Alelo dominante Alelo que encobre a presença de outro alelo. Exprime-se nos homozigóticos e nos heterozigóticos. Representa-se, geralmente, por uma letra maiúscula. Dominância Completa Quando a presença do alelo dominante, no indivíduo heterozigoto, encobre totalmente o efeito do alelo recessivo fala-se em dominância completa. • Ex.: Grupo Rh, pessoas RR e Rr apresentam o mesmo fenótipo, Rh+. Co-dominância Quando indivíduos heterozigotos expressam os dois fenótipos simultaneamente fala-se em co-dominância. • Ex: Indivíduo sangue AB (IAIB) Dominancia Alelos se expressa da mesma forma nas condições homozigotica e heterozigotica são chamados dominantes. Ex: Indivíduos RR e Rr para o fator Rh são Rh+. Alelo dominante Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 232 Alelo que encobre a presença de outro alelo. Exprime-se nos homozigóticos e nos heterozigóticos. Representa-se geralmente por uma letra maiscula. Recessividade Alelos que não se expressam na condicao heterozigótica são denominados recessivos. 6.2. Co-dominância Quando indivíduos heterozigotos expressam os dois fenotipos si simultaneamente fala-se em co-dominancia. Ex. Individuo sangue AB (IAIB) 6.3. Semim-dominância Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 233 Genes Letais Quando um gene causa a morte do indivíduo, é considerado um gene letal. Esses genes podem exercer o seu efeito letal antes ou depois do nasci-mento. Se o efeito é tardio, ele não provoca alteração nas proporções genotípica e fenotípica. Porém, há genes letais que provocama morte dos embriões, antes do nascimento. Nesses casos, as proporções obtidas na descendência de um cruzamento serão diferentes das proporções clássicas do monoibridismo Um exemplo é o par de alelos que controla a cor da pelagem dos camundongos. O gene dominante A determina pelagem amarela, e é letal em dose dupla (AA). Os embriões com esse genótipo não se desenvolvem e não chegam a nascer. O alelo recessivo a condiciona o aparecimento de pelagem "aguti" ou "selvagem", que pode ser preta ou cinza Na prole desse cruzamento, em vez da proporção clássica de 3:1, encontra-se a proporção de dois animais amarelos para um animal "aguti". Os embriões homozigotos AA não se expressam fenotipicamente. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 234 77 Quadro de genes letais • Vamos ver qual é a descendência do cruzamento entre dois animais amarelos heterozigotos. animal amarelo (Aa) X animal amarelo (Aa) Unidade 07: Relacção não alélicas Interação génica Quando vários pareis de genes (não-alelos) interagem para determinacao de único carácter hereditário. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 235 InteraInteraçção gênicaão gênica InteraInteraçção gênica ão gênica -- Quando vQuando váários pares de genes nãorios pares de genes não--alelos alelos podem influir ( interagir ) na determinapodem influir ( interagir ) na determinaçção ão de um carde um carááter hereditter hereditáário .rio . Tipos de interaTipos de interaçção gênica :ão gênica : -- Genes complementares , Genes complementares , EpistasiaEpistasia e Herane Herançça a quantitativa ( heranquantitativa ( herançça a multifatorialmultifatorial ou ou polimeriapolimeria ou poligenia ) .ou poligenia ) . Tipo de interação genica. Herança qualitativa: o fenotipo depende de quais os genes que estão presentes no Genótipo (genes complementares, epistasia, genes modificadores). Herança quantitativa: o fenotipo depende de quantos genes dominantes estão presentes no genótipo (polimeria). Genes complementares Quando varios pares de genes se complementam para manisfestação do fenótipo. O exemplo mais conhecido é o formato da crista nas galinhas. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 236 Rosa Ervilha Simples Noz INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. 1905 - o geneticista Inglês William Bateson e seus colaboradores realizaram uma série de cruzamentos expermentais. X Ervilha Simples EE ee Ervilha Ee INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 237 Rosa XSimples R R r r Rosa R r INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. Rosa X Ervilha eeRR EErr Noz EeRr INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 238 Bateson crusou, a título de teste X Noz Simples EeRr eerr INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. INTERAINTERAÇÇÃO GÊNICAÃO GÊNICA CristaCrista ervilhaervilha: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene E, a do gene E, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene R.gene R. crista crista rosarosa: manifesta: manifesta--se se na presenna presençça do gene R, a do gene R, desde que não ocorra o desde que não ocorra o gene E.gene E. crista crista noznoz: manifesta: manifesta--se se quando ocorrem os gene E quando ocorrem os gene E e R.e R. crista crista simplessimples: manifesta: manifesta-- se na ausência dos genes se na ausência dos genes E e R.E e R. Esses resultados confirmam que os individuos noz da F1 são duplos heterozigotos (RrEe). Bateson e seus colaboradores concluiram, que o tipo de crista em galinhas é condicionado por dois pares de alelos R/r e E/e, que interagem e segregam se independentemente: R & e cristarosa r & E crista ervilha r & e crista simples R & E crista noz Interação genica com epistasia. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 239 Interacao em que os alelos de um par de gene inibe que o outro par, não alelo, manifeste seu carácter. O gene inibidor é chamado de epistático e o inibido é o hipostático. A epistasia pode ser dominante ou recessiva Epistasia dominante Se o gene epistático actuar em dose simples, isto é, se a presença de um único alelo for suficiente para causar a inibição do hipostático. Ex. A cor da plumagem em galinhas. C – penas coloridas c – penas brancas I – epistático sobre gene C P: Colorida X Branca (CCii) (ccII) F1: Branca (CcIi) P: Branca X Branca (F2) proporções genotípicas proporções fenotípicas 9 C_ I_ 9 brancas 3 C_ ii 3 coloridas 3 ccI_ 3 brancas 1 cc ii 1 brancas Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 240 Epistasia recessiva Se o alelo que determina a epistasia actuar em dose dupla. Ex. : A cor da pelagem nos camundongos. Genes Modificadores São aqueles que afectam a expressão de outros genes não alelos, tem uma acção semelhante a dos epistáticos. Um caso que mostra a acção desses genes é o caso do carácter malhado dos bovinos que é condicionado pelo alelo recesivo s. No cruzamento entre animais ss X ss, dá sempre descendentes malhados, porém, desses alguns apresentam grandes regiões da pele branca e outras pequenas. Porque para além, do gene-s que condiciona o carácter malhado, existem outros genes que determinam as dimensões do malhado – os genes modificadores. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 241 Genes supressores Genes que possuem um alelo supressor ou mutação supressoraquecancela o efeitode uma mutação prévia, capacitando o fenótipo para ser mantido. Por exemplo, supressores amber cancelam o efeito de uma mutação amber sem sentido. Pleiotropia Provem do Grego e significa a ocorrência simultânea de características de uma substância. Um gene tem características pleiotrópicas quando influencia mais do que uma característica fenotipica que aparentemente não estão relacionadas. 1 Par de genes vários carcteres Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 242 Exemplos, em ervilhas um único par de alelos condiciona simultaneamente trêstraçosfenotípicos, cor das flores (vermelho ou branco), cor da semente(cinza ou parda)e apresença ou não de manchas nas axilas das folhas; Na espécie humana, há um gene pleotrópico que causa simultaneamente,fragilidade óssea, surdez congénita e escrerótica (o branco do olho); etc Poligenia aditiva ou genes multiplos (herança quantitativa) Herança quantitativa ou poligenia aditiva O fenótipo é condicionado por dois ou mais alelos dominantes. Há uma variação fenotipica gradual e continua entre um valor máximo e um valor mínimo, devido a adição de alelos dominantes – o aditivo. Cada alelo aditivo presente em um indivíduo determina o aumento de intensidade da expressão fo fenótipo. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 243 Os alelos não-aditivos (recessivos) não acrescentam nada na expressão do fenótipo. Exemplos: peso, altura, cor da pele na espécie humana,inteligência, etc. Cor da pele P: mulher negra X homem branco (SSTT) (sstt) F1: mulatos médios (SsTt) mulata médio X mulato médio Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 244 1 4 6 4 1 Negro M.Escuro M.Médio M. Claro Branco ssttBranco1 Sstt ssTt M. Claro 4 SsTt SStt ssTT M.Médio 6 SsTT SSTt M.Escuro 4 SSTTNegro 1 Genót. i Fenót. Curva de Gauss Conclui-se que a presença de alelos s ou t = produção mínima de melanina e S ou T = intensificam a produção de melanina. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 245 O número de fenótipos depende no número de pares de genes envolvidos nº de fenótipos = 2n + 1 Onde n é o nº de pares de genes Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 246 Unidade 08: Herança dos caracteres Ligados ao sexo 8.1. Determinacao Cromossomica do sexo HERANÇA QUANTITATIVA OU POLIGENIA Muitas caracteristicas dos seres vivos, tais como altura, pesam, cor etc. Resultam do efeito cumulativo de muitos genes, cada um cotribuindo com uma parcela fenotípica. Por exemplo, as pesoas que têm maior número de alelos para altura são mais altas do que as que apresentam menor número desses alelos. Essa herança, em que participam dois ou mais pares de genes, com ou sem segregação independente, é denominada herança quantitatva ou poligenia. As caracteristicas que seguem herança poligênica , além de variarem em consequência do grande número de genótipos possíveis, sofrem forte influencia do ambiente, o que aumenta ainda mais a gama da variação fenotipica. Com relação à estrutura, por exemplo , existem desde pessoas muito altas até muito baixas, passando por um grande número de estatura intermediarias. Esse carácter também sofre forte influência ambiental: duas pessoas com mesmo genótipo podem ter alturas diferentes em consequência do tipo de alimentação que recebem a fase do crescimento. Se fizermos um gráfico que correlacione a estatura com o número de pessoas de uma população, obteremos uma curva em forma de sino, conhecida como curva de distribuição normal. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 247 HERANÇA DA COR DA SEMENTE EM TRIGO Inicialmente os pesquisadores tiveram dificuldade para entender a herença das caracteristicas quantitativas. Muitos chegaram a imaginar que as leis descobertas por Mendel não se aplicavam nesses casos. Em 1910, o genicista sueco Nilsson-Ehle (1873-1949), estudando a herança da cor do grão de trigo, estabeleceu os principios da herança dos caracteres quantitativos. Nilsson- Ehle mostrou que a herança quantitativa segue as leis mendelianas, e os fenótipos são condicionados por diversos genes, cujos alelos têm efeito aditivo. Geração p: AABB (vermelho escuro) x aabb (branco) Gametas: AB ab GeraçãoF1 AaBb (vermelho) F1 X F1: AaBb x AaBb veja na tabela AB Ab aB ab AB Vermelho-escuro AABB Vermelho-médio AABb Vermelho-médio AaBB Vermelho AaBb Ab Vermelho-médio AABb Vermelho AAbb Vermelho AaBb Vermelho-claro Aabb aB Vermelho-médio AABb Vermelho AaBb Vermelho aaBB Vermelho-claro aaBb ab Vermelho AaBb Vermelho-claro Aabb Vermelho-claro aaBb Branco aabb Geração f2 Fig.1 cruzamento entre plantas de trigo produtoras de sementes vermelhas e brancas. A proporção obtida na geração f2 mostra tratar-se de um caso de herança quantitativa ou poligênica.Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 248 Em seu experimento, Nilsson-Ehle cruzou linhagens puras de trigo de sementes vermelhas escuras com linhagens puras de sementes brancas. A geração f1 foi inteiramente constituida por plantas de sementes vermelhas, porém mais claras do que as do tipo parental. A autofecundação das plantas de f1 produziu uma geração f2 constituida por sementes de várias cores, que Nilsson-Ehle classificou em cinco categorias: vermelho-escuras, vermelha- médias, vermelhas, vermelhas claras e brancas. As proporções em cada fenótipo ocorreu foram, recpectivamente, de 1: 4: 6:4:1. Herança e sexo Determinção Cromossômica do Sexo Em muitas espécies, machos e fémeas podem ser distinguidos pelo conjunto cromossômico de suas células, ou seja, pelo seu cariótipo. A diferença reside, geralmente, em um par de cromossomas, chamados cromossomas sexuais ou heterossomos (do grego heteros, diferente). Os outros cromossomas, presentes tanto em células de machos quanto de fémeas, são os autossomas (do grego, autos, próprio). Cromossomas sexuais e determinação do sexo -Sistema Xy Em muitas espécies de animais, as fêmeas tém um par de cromossomas sexuais homologos, enquanto os machos tém um cromossoma sexual correspondente aos da femea e o outro sem correspondencia, tipicamente masculino. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 249 O cromossoma sexual presente tanto em fêmeas quanto em machos é cromossoma X. Já o cromossoma sexual que só existe em células de machos é Y. Fémeas são portadoras do par homologo XX, e machos são portadores do par não- homologo XY. (fig2) Muitos organismos apresentam difernciação cromossomica sexual do tipo XY, entre eles diversos insectos, como a drosófila, e a maioria dos mamiferos, incluindo a espécie humana. Através da meiose , uma célula feminina XX dá origem a células haploides portadoras de um lote de autossomas e um cromossoma sexual X. As femeas , portanto, formam apenas um tipo de gameta em relação ao cromossoma sexual, e, por isso, o sexo femenino é denominado o sexo homogamético (do grego homos, igual). Já uma célula masculina XY produz, na meiose , dois tipos de célula em relação ao cromossoma sexual: além do lote de autossomas, 50% das células tém um crossoma Sexual X, e 50% tém um crossoma sexual Y. O sexo masculino, por isso , é denominado sexo heterogamético(do grego,heteros, diferente). O gameta masculino portador de um cromossoma X, ao fecundar um óvulo( sempre portador de X), origina um zigoto XX, do qual se desenvolve fémea. O gaméta masculino portador de um cromossoma Y , ao fecundar o óvulo, dá origem a um zigoto XY, do qual se desenvolve um macho. Assim , no sistema XY, é o genitor do sexo masculino que determina o sexo dos descendentes. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 250 - Sistema Xo Em algumas espécies não há cromosoma Y. As femeas tem um par de cromossomas homologos XX, e os machos tém um unico cromossoma X. Células de machos têm , portanto , número ímpar de cromossomas, um a menos em relação às fémeas. Esse sistema é denominado XO, e o zero indica exactamente a ausencia de um cromossoma sexual. Esse tipo de diferenciação sexual está presente em muitas espécies de insecto. No sistema XO , assim como no XY, o sexo heterogamético é o masculino, portanto são os machos quer determinam o sexo da prole. -Sistema ZW Existem espécies em que os machos possuem um par de cromossomas sexuais homologos, enquanto as fêmeas possuem um cromossoma sexual igual ao dos machos e outro diferente , típico do sexo femenino. Para evitar confusão com o sistema XY, em que a situação é inversa, os geniticistas preferem chamar os cromossomas sexuais dessas espécies de Z e W: os machos são portadores do par homologo ZZ e as femeas são portadores do par não- homologo ZW. O sistema ZW está presente em muitas espécies de ave e em mariposas e borboletas. Nesse sistema, o sexo heterogamético é femenino,e as femeas determinam o sexo da prole. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 251 -Sistema ZO Em algumas espécies não há cromossoma W, de tal maneira que os machos têm um par de cromossomas sexuais ZZ e as femeas têm apenas um cromossoma Z. Embora não comum, esse sistema merece interesse por ocorrer na galinha doméstica, ave de grande importância econômica. Por ser o inverso do sistema XO, este sistema é denominado ZO, e o zero indica a ausencia do cromossoma W. Como no sistema ZW, o sexo heterogamético é o femenino. Sistema haplóide/diplóide de determinação de sexo (haplodiploidia) Nas abelhas do genero Apis , o sistema de determinação de sexo envolve um lote inteiro de cromossomas. Os machos , chamados zangões , originam-se a partir do desenvolvimento de ovos não-fecundados, fenómeno conhecido como partinogênese.Consequentemente , eles são haploides(n) , portadores de apenas um lote de cromossomas, sempre de origem materna. Os ovos fecundados , portanto diploides (2n), originam as femeas, podem se desenvolver em rainhas férteis ou em operárias estéreis , dependendo do tipo de alimentação que receberem durante a fase larval. Determinação Do Sexo Em Plantas Grandes parte das plantas produz flores hermafroditas , que contém tanto estruturas reprodutoras masculinas como femeninas. Plantas desse tipo são denominadas monóicas (do grego mono, um e oikos, casa), termo que significa «uma casa para dois sexos» Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 252 Outras espécies tém sexo separados, com plantas que produzem flores masculinas e plantas que produzem flores femininas. Essas espécies são denominadas dióicas (do grego di, duas, e oikos, casa), o termo que segnifica «duas casas, uma para cada sexo». Nas plantas dióicas o sexo é determinado de maneira semelhante à dos animais. O espinafre e o cânhamo, por exemplo, tém sistema XY de determinação do sexo; ja no morango selvagem segue o sistema ZW. Orgasnismos que não tém sistema de determinação de sexo Os organismos monoicos (hermafroditas) não apresentam qualquer sistems de determinação de cromossomica ou genética de sexo. Todos os individuos da espécie têm, basicamente, o mesmo cariótipo. Esse é o caso da maioria das plantas e de alguns animais entre eles minhocas, caramujos e caracois. 8.2. Experiência de Thomas Morgan Herança De Genes Localizados No Cromossoma X -Herença ligado ao sexo em Drosófila Em 1910, Morgan estudou um macho de drosófila portador de olho branco, originado de uma mutação do olho selvagem, que tem cor marrom-avermelhada. O cruzamento desse macho de Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 253 olho branco (white) com femeas de olho selvagem originou, na geração f1, apenas descendentes de olho selvagem. O cruzamento de machos e femeas da geração f1 resultou em uma geração f2 constituida por femeas de olho selvagens, machos de olho selvagem e machos de olho branco. A proporção entre moscas de olho selvagem e de olho branco foi aproximadamente 3:1, o que permitiu concluir que a caracteristica olho branco era hereditária e recessiva. Morgan voltou sua atenção para o facto de não ter nascido nenhuma fêmea de olho branco na geração f2. Isso indicava que a caracteristica em questão tinha alguma relação com o sexo dos individuos. Na sequência dos experimentos, morgan cruzou machos de olho brancocom as suas próprias filhas, que eram heterozigóticas em relação à cor do olho. Desses cruzamentos surgiram femeas e machos de olho selvagem, e femeas e machos de olhos brancos, na proporção de 1:1:1:1. Esse resultado mostrou que o caracter olho branco podia aparecer também nas femeas. Como explicar, então, a ausencia de femeas de olho branco na geração f2 do primeiro cruzamento? Em 1911, Morgan concluiu que os resultados dos cruzamentos envolvendo o loco da cor de olho, em drosofila, podiam ser explicados admitindo-se que ele esdtivesse localizado no cromossoma X. O macho de olho branco original teria fornecido seu cromossoma X, portador do alelo recessivo mutante w (x w), a Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 254 todas as filhas, que receberam seu cromossoma X das mães, portadoras do alelo selvagem W (X). As femeas da geração f1 seriam, portanto, heterozigotas XX. Já os machos de f1 receberam o cromossoma X das femeas selvagens puras (X). Sua constituição genica seria, portanto, XY. Ex A hipotese de Morgan foi confirmada pela análise de outros genes de drosofila, cuja herança seguiu mesmo padrão. Além disso, permitiu também explicar a herança de genes relacionados com sexo em outras espécies. Os genes localizados no cromossoma X, que não tem alelo correspondente no cromossoma Y, seguem o que denominam herança ligado ao sexo ou herança ligado ao X. Com relação aos genes localizados no cromossoma X, as femeas podem apresentar três tipos de genótipo: XX e XX, homozigoticos e XX, heterozigotico. Os machos podem apresentar apenas dois tipos de genótipo, XY e XY, uma vez que possuem apenas um dos genes localizados no cromossoma X. Com relação aos genes ligados ao X, os machos não são nem hozigotos nem heterozigoticos, mas sim hemizigotos( do grego, hemi, metade), pois tem a metade dos genes das femeas. As mesmas conclusões são validas para os os sistemas de determinação do sexo tipo XX/XO, ZZ/ZW e ZZ/ZO Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 255 A Herança Ligada ao Sexo Introdução Prezado estudante, seja bem-vinda introdução ao estudo herança ligada ao sexo. Neste caso, pode-se demonstrar que para se atingir o equilíbrio é necessário que as frequências dos alelos nos diferentes sexos sejam iguais. Equilíbrio não é alcançado em uma única geração, mas quando atingido se verifica as relações genotípicas. Portanto, está convidado para uma discussão activa sobre o tema proposto nesta unidade. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos Definir o conceito de herança; Descrver as doenças ligadas ao sexo; Relacionar as doenças ligadas ao sexo; Distinguir os genes dominantes e recessivos; Explicar a determinação de sexo em mamiferos e aves. Teoria cromossomica de herença - A descoberta do papel dos cromossomas na herença Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 256 Durante os 35 anos em que o trabalho de Mendel ficou no esquecimento, houve grande desenvolvimento da citologia. Os cromossomas foram descobertos e seu comportamento durante as divisões celulares foi descrito com precisão por Walther Flemming, em 1882. A meiose e a fecundação foram entendidas como processos complementares, responsáveis, respectivamente, pela redução e pelo restabelecimento do número de cromossomas dos organismos durante o ciclo de reprodução sexuada. Nos anos de 1884 e 1885, quatro biologos alemães – Oskar Hertwig, Edouard Strasburger, Rudolf Kolliker e August Weismann- sugeriram, em trabalhos independentes, que os cromossomas poderiam ser a base celular de hereditariedade. Eles se apoiavam no facto de os cromossomas serem transmitidos de geração a geração pelas gametas, e de seu número se manter constante nos organismos de mesma espécie. Essas evidências, porem, não eram suficientes para comprovar a hipotese. Observações De Sutton E Boveri Com a redescoberta dos trabalhos de Mendel, em 1900, cresceu o interesse em se determinar a localização física dos factores Mendelianos. Em 1903, Walter S. Sutton (1877-1916) mostrou que havia uma coincidência exata entre o comportamento dos factores hereditários propostos por Mendel e o comportamento dos cromossomas na meiose e na fertilização. Estudando a meiose de uma espécie de gafanhotos, Sutton observou que os cromossomas homologos se separavam exatamente da mesma maneira que os factores propostos por Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 257 Mendel. Com base nisso, o pesquisador lançou a hipotese, hoje confirmada, de que os factores mendelianos se localizavam nos cromossomas, e separação dos homologos na meiose era o fenomeno responsável pela segregação genética. A hipotese de Sutton foi o primeiro passo importante para o desenvolvimento da teoria cromossomica da herança, que considera os cromossomas a base fisica da hereditariedade. Na mesma época em que Sutton lançava sua hipotese, cientista alemão Theodor Boveri (1862-1615) descobriu que os ovos de ouriço-do-mar precisavam de ter um conjunto completo de cromossomas para se desenvolver normalmente; a falta de um ou mais cromossomas fazia com que o desenvolvimento fosse anormal. Boveri concluiu, acertadamente, que os cromosomas possuíam factores que controlam o desenvolvimento. As principais evidências experimentais da localização dos genes nos cromossomas foram obtidas pelo pesquisador norte- americano Thomas H. Morgan (1866-1945) e por três alunos seus, Alfred H. Sturtervant (1891-1970), Calvin B. Bridges (1889-1938) e Herman J. Muller (1890-1967). Trabalhando com a mosca Drosophila melanogaster, Morgan e seus colaboradores estabeleceram as bases da teoria cromossomica das herança e deram formidável impulso à genética, que se tornou um dos mais importantes ramos da biologia moderna. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 258 A Herança Ligada ao Sexo no Homem Neste caso, pode-se demonstrar que para se atingir o equilíbrio é necessário que as frequências dos alelos nos diferentes sexos sejam iguais. Este equilíbrio não é alcançado em uma única geração, mas quando atingido se verifica as relações genotípicas. Genes localizados na porção não homóloga do cromossoma x. Quando dominantes, o caráter é transmitido pelas mães a todos os descendentes e pelos pais somente às filhas. Quando recessivos, o caráter é transmitido pelas mães aos filhos homens. As meninas só terão a característica se o pai também a tiver. Exemplo: daltonismo e hemofilia. Imagem: Herança Ligada ao Sexo. Fonte: Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 259 Genética Básica Cruzamentos Consanguíneos Chamam-se cruzamentos consanguíneos (ou endocruzamentos) aqueles que envolvem indivíduos com ancestrais comuns, como tio e sobrinha, primo e prima, etc. Esses cruzamentos têm grande importância em genética clínica, porque tornam maiores as probabilidades de nascimento de crianças com distúrbios genéticos. Há doenças genéticas determinadas por genes dominantes, como a polidactilia, e por genes recessivos, como o albinismo. Os genes recessivos tendem a ser detectados com mais facilidade, porque sempre se manifestam, desde que estejam presentes em dose simples ou em dose dupla. Já os genes recessivos costumam permanecer mais tempo ocultosnas populações, uma vez que só se manifestam em dose dupla, no homozigoto recessivo. Todos nós temos, em nossas células, um ou alguns genes deletérios (causadores de doenças) que, por serem recessivos, não estão se manifestando. É maior a probabilidade de que esse mesmo gene seja encontrado nas células de uma pessoa aparentada do que em uma outra pessoa qualquer da população. Portanto, o cruzamento consanguíneo permite que, no descendente, um gene recessivo se encontre em dose dupla. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 260 Considerando um gene deletério dominante ligado ao sexo (A), onde f(A)=p, espera-se espera observar maior frequência de defeito entre as mulheres (p² + 2pq > p). Para o caso de um gene deletério recessivo (b) ligado ao sexo, espera-se maior frequência de defeitos entre os homens (q > q²). Determinação do Sexo em Mamíferos Em mamíferos, a definição primária do sexo é a determinação das gônadas. As fêmeas são geralmente XX e os machos XY. O cromossoma Y carrega os genes que codificam os factores determinantes dos testículos. Assim, indivíduos XY ou XXY, terão características masculinas. O desenvolvimento das gônadas é um fenômeno especial do ponto de vista embriológico porque, diferentemente do que ocorre com os outros órgãos, a gônada primordial tem duas opções de desenvolvimento: ovário ou testículo. A opção feita pela gônada indiferenciada depende dos produtos gênicos presentes no momento da decisão. A espécie humana apresenta 23 pares de cromossomas. 22 pares são autossomas e não tem relação directa com a determinação do sexo. Um par, chamado de alossomas (X e Y), são os cromossomas sexuais. Machos XAY XaY Frequência p q Fêmeas XAXA XAXa XaXa Frequência p² 2pq q² Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 261 A mulher apresenta dois alossomas X e é chamada de sexo homogamético, pois seus gâmetas sempre terão o cromossoma X. O homem apresenta um X e um Y e é o sexo heterogamético, pois seus gâmetas serão metade com cromossoma X e metade com cromossoma Y. Na mulher, um dos cromossomas X em cada célula permanece inactivo e se constitui na cromatina sexual ou corpúsculo de Barr. Imagem: Determinação do Sexo no homem e na mulher, respectivamente. Fonte: Genética Básica Determinação do Sexo nas Aves Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 262 Nas aves, a determinação do sexo é feita através do sistema ZW, sendo a fêmea heterogamética (ZW) e o macho homogamético (ZZ). Fisicamente, o cromossoma W é semelhante ao Y, pequeno, pobre em genes e heterocromático. O estudo dos genes compartilhados por Z e W seria importante pelo facto de o papel do cromossoma W na determinação de sexo de aves ainda ser obscura. Não se sabe se ele é necessário para o desenvolvimento feminino ou se é o número de cromossomas Z que regula o desenvolvimento masculino. Doenças Ligadas ao Sexo: 1. Daltonismo Anomalia visual recessiva em que o indivíduo tem deficiência na distinção das cores vermelha ou verde; Os homens daltônicos (8%) tem um gene Xd pois são hemizigóticos e as mulheres daltônicas (0,64%) devem ser homozigóticas recessivas. 2. Hemofilia Anomalia que provoca a falta de coagulação do sangue. Fenótipo Genótipo Mulher normal XDXD Mulher portadora XDXd Mulher daltônica XdXd Homem normal XDY Homem daltônico Xd Y Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 263 Homens hemofílicos são hemizigotos (1/10.000) e mulheres hemofílicas são homozigotas recessivas (1/100.000.000). Fenótipos Genótipos Mulher normal XHXH Mulher portadora XHXh Mulher hemofílica XhXh Homem normal XHY Homem hemofílico XhY Herança Influenciada pelo Sexo Genes autossômicos cujo efeito sofre influência dos hormônios sexuais. Comportamento diferente em cada sexo, agindo como dominante em um e como recessivo em outro (variação de dominância). Ex.: Calvície (alopecia). Os prováveis tipos de herança são: Genótipos Fenótipos CC Homem calvo Mulher calva Cc Homem calvo Mulher não- calva cc Homem não- calvo Mulher não- calva Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 264 Imagem: A esquerda: Herança Autossômica Recessiva. No meio: Herança Autossômica Dominante. A direita: Herança Ligada ao Y (holândrica). Fonte: Fonte: Genética Básica Sumário Neste caso, pode-se demonstrar que para se atingir o equilíbrio é necessário que as frequências dos alelos nos diferentes sexos sejam iguais. Os cruzamentos consanguíneos são aqueles que envolvem indivíduos com ancestrais comuns, como tio e sobrinha, primo e prima, etc. Há doenças genéticas determinadas por genes dominantes, como a polidactilia, e por genes recessivos, como o albinismo. Já os genes recessivos costumam permanecer mais tempo ocultos nas populações, uma vez que só se manifestam em dose dupla, no homozigoto recessivo. Em mamíferos, a definição primária do sexo é a determinação das gônadas. As fêmeas são geralmente XX e os machos XY. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 265 Assim, indivíduos XY ou XXY, terão características masculinas. Nas aves, a determinação do sexo é feita através do sistema ZW, sendo a fêmea heterogamética (ZW) e o macho homogamético (ZZ). Fisicamente, o cromossoma W é semelhante ao Y, pequeno, pobre em genes e heterocromático. As doenças ligadas ao sexo: daltonismo, hemofilia. Na herança iinfluenciada pelo sexo temos genes autossômicos cujo efeito sofre influência dos hormônios sexuais e comportamento diferente em cada sexo, agindo como dominante em um e como recessivo em outro (variação de dominância). Ex.: Calvície (alopecia). Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 266 Unidade 09: Ligação Génica Exercícios 1. O entendes po cruzamentos consanguíneos? Dê exemplo. R: Cruzamentos consanguíneos (ou endocruzamentos) aqueles que envolvem indivíduos com ancestrais comuns. Exemplo: como tio e sobrinha, primo e prima, etc. 2. Qual é importância destes cruzamentos em genética clínica? R: Esses cruzamentos têm grande importância em genética clínica, porque tornam maiores as probabilidades de nascimento de crianças com distúrbios genéticos. 3. Explique como é a definição primária do sexo em mamiferos. R: É a determinação das gônadas. As fêmeas são geralmente XX e os machos XY. O cromossoma Y carrega os genes que codificam os factores determinantes dos testículos. 4. Os indivíduos XY ou XXY, terão características masculinas. Porque é que o desenvolvimento das gônadas é um fenômeno especial do ponto de vista embriológico? R: Porque, diferentemente do que ocorre com os outros órgãos, a gônada primordial tem duas opções de desenvolvimento: ovário ou testículo. A opção feita pela gônada indiferenciada depende dos produtos gênicos presentes no momento da decisão. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 267 Ligação de Genica Crossing-Over e Mapeamento Cromossómico. Introdução: Cara estudante, nesta unidade falaremosde ligacoes génica. Quando os genes estão localizados em cromossomos diferentes eles segregam de forma independente, porém, quando estão localizados no mesmo cromossomo, não há segregação e eles vão juntos para o mesmo gameta. Esse processo é chamado de ligação gênica. Objectivos 1-Conhecer a ligagação Genica. 2- Conhecer a ligagação independente do Genes http://www.infoescola.com/biologia/cromossomos/ Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 268 Genes ligados e mapas gênicos ligação gênica Na formação dos gametas , os cromossomas são transmitidos às células-filhas como entidades íntegras.Portanto os genes localizados em um mesmo cromossoma tendem a ir juntos para o mesmo gameta. Fala-se , por isso , que esses genes estão ligados ou em linkage (em inglês, ligação). Genes em ligação completa O estudo de duas caracteristicas em Drosophila, a cor do corpo e o tamanho da asa , ilustra a ligação entre genes situados no mesmo cromossoma. A cor do corpo das moscas pode ser cinza ou preta e o tamanho da asa pode ser normal (longa) ou vestigial(curta e não-desenvolvida). A cor cinza do corpo é condicionada pelo alelo dominante P, e a cor preta, uma mutação surgida em laboratório, é condicionada pelo alelo recessivo p. Asa longa é condicionada pelo alelo dominante V, e asa vestigial, outra mutação surgida em laboratório, é condicionada pelo alelo recessivo v. Quando fêmeas pretas de asas vestigiais(ppvv) são cruzadas com machos de corpo cinza e asas normais (PPVV), a geração F1 é inteiramente constituida por machos e fêmeas de cor cinza e asas normais. Os machos da geração F1, no cruzamento-teste com fêmeas pretas de asas vestigiais(ppvv), produziram apenas dois tipos de descendentes: 50% de corpo cinza e asas normais e 50% de corpo preto e asas vestigiais. Isso significa que os machos duplo-heterozigoticos, em vez de formarem quatro tipos de Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 269 gameta, como no esperado pela lei de segregação independente, produziram apenas dois tipos , um com os genes dominantes P e V e outro com os genes recessivos p e v. Não houve , portanto , combinação livre entre os alelos desses dois genes, como ocorre na segregação independente: P está ligado a V e p está ligado a v. Se os genes tivessem se combinado livremente , os machos duplo-heterozigotos teriem produzido quatro tipos de gameta em proporções iguais(1/4 PV, 1/4 Pv, 1/4 pV ,1/4pv). No cruzamento –teste seriam produzidos , assim , quatro tipos de descendentes em proporções iguais , e não apenas dois. Os resultados obtidos nesse cruzamento foram explicados admitindo-se que os genes para a cor do corpo e para o tamanho da asa estão localizados em um mesmo cromosomo da drosófila.(fig.7.3) Grupos de ligação e cromossomos Em 1915, Morgan e seus colaboradores já haviam descoberto 85 mutaçóes em drosófila. Através de cruzamentos, eles verificaram que alguns desses mutantes se segregavam independentemente, enquanto outros estavam em linkage. Isso permitiu o agrupamento daquelas 85 mutações em quatro grupos, que foram denominados grupos de ligação. Os genes de um mesmo grupo apresentavam ligação entre si, segregando-se independentemente dos genes de outro grupo. Os estudos citológicos de Drosophila melanogaster, por outro lado, mostraram que esta espécie possui 4 pares de cromossomos (2n=89). Existe, potanto, um exato paralelismo entre o número de cromossomos e o número de grupos de ligação, determinando pela análise genética. Isso foi considerado por Morgan uma forte evidência de que os genes Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 270 estão nos cromossomos, Genes que fazem parte de um mesmo cromosomo tendem a ser herdados juntos. Em milho, análises genéticos semelhantes permitiram separar os locos genéticos conhecidos em dez grupos de ligação. Não por acaso, o número de pares de cromossomos do milho é 10 (2n=20). Na espécie humana existem 23 grupos de genes em ligação, correspondentes aos 23 pares de cromossomos.(fig.7.4) Genes em ligação incompleta Na sequência de seus experimentos, Morgan e sua equipe verificaram que as fêmeas do corpo cinza e asas normais duplo heterozigotos(PpVv), quando cruzadas com machos de corpo preto e asas vestigiais(ppvv), produzem quatro tipos de descendentes, nas seguintes porcentagens: 41,5% cinza de asas normais 41,5% pretos de asas vestigiais 8,5% cinza de asas vestigiais 8,5 pretos de asas normais Esses resultados indicam que as fêmeas duplo-heterozigotas produziram quatro tipos de gameta, embora não na mesma proporção: 41,4% eram PV, 41,5% pv, 8,5% Pv e 8,5% pV. Portanto, nas fêmeas, os genes P/V e p/v não estão copmletamente ligados, uma vez que formaram gametas recombinantes Pv e pV. Fala se, nesse caos, em ligação incompleta.(fig.7.5) O que é ligação gênica? Dois ou mais pares de genes alelos localizados em diferentes pares de cromossomos homólogos segregam-se Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 271 independentemente. Portanto, esta é a condição de validade da segunda lei de Mendel. Quando dois ou mais pares de genes alelos estão localizados em um mesmo par de cromossomos homólogos, eles não obedecem à lei da segregação independente. Afinal, durante a meiose irá haver uma tendência de que esses genes permaneçam unidos, quando o par de homólogos se separar, como mostra a figura abaixo. Quando dois ou mais pares de genes alelos se localizam em um mesmo par de cromossomos, dizemos que eles apresentam ligação gênica (ou ligação fatorial). Os autores de língua inglesa dão a essa situação o nome de linkage. No entanto, há um fenômeno capaz de alterar essa tendência de união. É a permutação gênica (ou crossing-over), troca de fragmentos entre cromossomos homólogos, que pode acontecer na prófase da primeira divisão da meiose. Quando dois pares de genes alelos estão situados de tal forma, em um par de homólogos, que não ocorre permutação entre Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 272 eles, diz-se que há linkage total entre eles. Caso haja permutação, o linkage é parcial. Em um caso de ligação gênica, não basta se conhecer o genótipo de um indivíduo. É necessário que se determine a posição relativa dos genes no par de homólogos. Por que isso é tão importante? Observe as duas situações mostradas a seguir: Podemos notar que, embora as duas células possuam os mesmos genes, a sua posição, no par de cromossomos homólogos não é a mesma, o que determina a produção de tipos diferentes de gametas, na meiose. Existem diversas formas de se indicar a posição dos genes no par de homólogos. As mais comuns são: Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 273 Uma outra forma de se indicar essa posição relativa dos genes é uma nomenclatura habitualmente usada pela química orgânica. O duplo-heterozigoto que tem os dois genes dominantes no mesmo cromossomo e os dois recessivos no outro (AB/ab) é chamado de heterozigoto "cis". O duplo-heterozigoto cujos genes dominantes estão em cromossomos diferentes do par de homólogos (Ab/aB) é o heterozigoto "trans". 2. Gametas parentais e recombinantes Quando as células de um indivíduo cujo genótipo é genótipo AB/ab sofrem meiose e originam gametas, os tipos de gametas formados podem variar em função da ocorrência ounão da permutação. Não acontecendo o crossing-over, apenas dois tipos de gametas poderão se formar: AB e ab. Caso ocorra o crossing- over, além desses dois tipos também poderão ser encontrados os gametas aB e Ab. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 274 É importante destacar que, mesmo ocorrendo o crossing-over, os gametas AB e ab se formam, uma vez que as cromátides externas não trocam fragmentos entre si. Veja novamente a figura anterior e repare que apenas as cromátides internas, também chamadas cromátides vizinhas, trocam fragmentos! Os gametas dos tipos AB a ab, cujo aparecimento não depende da ocorrência da permutação, são chamados gametas parentais, porque eles refletem a posição dos genes nas células. Os gametas dos tipos Ab e aB, que só aparecem caso aconteça a permutação Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 275 Ligação Gênica Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 276 No processo de segregação independente, um indivíduo AaBb produz 4 tipos de gametas, na proporção de 25% cada. Quando ocorre um caso de ligação gênica, o indivíduo AaBb produz apenas gametas AB e ab, na proporção de 50% cada. A ligação entre os genes pode ser incompleta, pois durante a prófase 1 da meiose, quando os cromossomos homólogos estão pareados, ocorrem trocas de partes entre as cromátides irmãs, num processo chamado crossing-over ou permutação. Essas trocas resultam na formação de gametas recombinantes, que são cromossomos com novas combinações de alelos. http://www.infoescola.com/biologia/segunda-lei-de-mendel-lei-da-segregacao-independente/ Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 277 Se não houvesse recombinação nesses genes, a proporção de gametas formados por um duplo heterozigoto seria 50% AB e 50% ab. Quando há recombinação, oberva-se na descendência uma pequena proporção de recombinantes, por exemplo: 40% – AB (parental) 40% – ab (parental) 10% – Ab (recombinante) 10% – aB (recombinante) Quanto mais afastado um gene estiver do outro, maior será a taxa de recombinação. Consequências da recombinação Em organismos assexuados, genes são herdados juntos, ou ligados, já que eles não podem se misturar com genes de outros organismos durante a reprodução. Por outro lado, a prole de organismos sexuados contém uma mistura aleatória dos cromossomos de seus pais, que é produzida a partir da segregação cromossômica. No processo relacionado de recombinação gênica, organismos sexuados podem trocar DNA entre cromossomos homólogos. Esses processos de embaralhamento podem permitir que mesmo alelos próximos numa cadeia de DNA segreguem independentemente. No entanto, como ocorre cerca de um evento de recombinação para cada milhão de pares de bases (em humanos), genes próximos num cromossomo geralmente não são separados, e tendem a ser herdados juntos. Essa tendência é medida encontrando-se com qual frequência dois alelos ocorrem juntos, medida chamada de desequilíbrio de http://pt.wikipedia.org/wiki/Reprodu%C3%A7%C3%A3o_assexuada http://pt.wikipedia.org/wiki/Reprodu%C3%A7%C3%A3o_sexuada http://pt.wikipedia.org/wiki/Cromossomo http://pt.wikipedia.org/wiki/Segrega%C3%A7%C3%A3o_cromoss%C3%B4mica http://pt.wikipedia.org/wiki/DNA http://pt.wikipedia.org/wiki/Alelo http://pt.wikipedia.org/wiki/Humano http://pt.wikipedia.org/wiki/Desequil%C3%ADbrio_de_liga%C3%A7%C3%A3o Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 278 ligação. Um conjunto de alelos que geralmente é herdado em grupo é chamado de haplótipo, e essa co-herança pode indicar que o locus está sob seleção positiva. A vária cor dos gatos descendentes é resultado de recombinção Genética de duas cores diferentes dos progenitores. Exercícios 1-Conhecer a ligagação Genica 2- Conhecer a ligagação independente do Genes http://pt.wikipedia.org/wiki/Desequil%C3%ADbrio_de_liga%C3%A7%C3%A3o http://pt.wikipedia.org/wiki/Hapl%C3%B3tipo Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 279 A u t o - a v a l i a ç ã o Quando dizemos que estamos perante uma ligação genica? R: Quando os genes estão localizados em cromossomos diferentes eles segregam de forma independente, porém, quando estão localizados no mesmo cromossomo, não há segregação e eles vão juntos para o mesmo gameta. Esse processo é chamado de ligação gênica. Resolucao de exercícios da genética Introdução Caro estudante, na presente unidade irá tratar resolver exercicos dos livros de genética que conhece e que podem lhe ajudar a entender na íntegra todas unidades anteriores. Mas para que esta unidade não seja vaga espermente alguns deles que lhe são propôsto abaixo. 1. Na ervilha-de-cheiro, plantas altas são dominantes sobre plantas baixas. Do cruzamento de plantas altas heterozigóticos entre si resultaram 160 descendentes. Dentre esses, o número provável de plantas baixas é: a) Zero; b) 40 ; c) 80; d) 120, e) 160 http://www.infoescola.com/biologia/cromossomos/ Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 280 2. Para identificar se um animal que apresenta um carácter dominante é homozigótico ou heterozigotico, o correto seria cruza-lo com um animal: a) Homozigotico ressivo; b) de fenótipo semelhante; c) Heterozigotico; d) Homozigotico dominante; e) de genótipo semelhante 3. Em camundongos, o genótipo aa é cinza; Aa é amarelo e AA morre no inicio do desenvolvimento embrionário. Que descendencia se espera do cruzamento entre um macho amarelo e uma femea amarela? 4. Nos seguintes heterograma de Drosophila, círculos são fémeas, quadrados são machos, figuras cheias são individuos de antenas longas e figuras vazias são individuos de antenas curtas. A alternativa que contém o genótipo dos individuos I, II, III, e IV é: a) cc, cc, CC, cc d) Cc; CC;cc,Cc b)Cc, Cc; cc; CC e) Cc; Cc; cc; Cc c) CC; Cc; cc; CC 5. Considere o heredograma de uma familia em que se manisfesta uma determinada caracteristica genética. Nessa familia, quantos tipos de gametas produzirão, respectivamente, os individuos I-1, II-3 e III-1? a) 1-1-2 ; b) 1-2-2 ; c) 2-1-2; d) 2-2-1; e) 2-2- 2 Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 281 6. Um casal tem três filhas. A mulher está grávida e diz ao marido: «espero que o nosso quarto filho seja do sexo masculino». O marido, que estudou genética, pensa um pouco e responde correctamente: A probabilidade de que o nosso quarto filho seja um menino é de: a) 50%; b) 66%; c) 75%; d) 33%; e) 25% 7. O albinismo é condicionado por gene recessivo. O alelo dominante condiciona pigmentação normal. Dois individuos normais, netos de uma mesma avó albina e, portanto, primos em 1º grau, tiveram um filho albino. Qual é a probabilidade de ser albina outra criança criança que esse casal venha a ter? Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 282 Unidade 10: Introdução à Genetica II Introdução Caro estudante, a presente unidade irá falar de um assunto relevante sobre a relação da genética I e II.A relacao dessas duas ciências reside nos mesmos objectivos e no mesmo objecto de estudo a única diferença que existe entre elas esta na forma de como pode ser tratada na sala de aulas. A primeira é inteiramente teórica e segunda essencialmente prática devendo-se tratar as suas aulas práticas em laboratórios bem equipados. Relação entre a Genetica I e II Elefantes têm um corpo muito maior que os ratos; as acácias são muito maiores que um pé de milho. Contudo as células do elefante não são maiores que as células correspondentes do rato, existem é em maior número. Elefantes, ratos, milho e acácias originam-se a partir de uma célula simples fertilizada, o ovo ou zigoto, com o potencial genético para se dividir e crescer num organismo completo do novo indivíduo. Para chegar-se ao vasto número de células que formam um indivíduo novas células devem ser produzidas a partir do processo em que uma célula se divide em duas. A sequência de eventos que torna isto possível é denominada Ciclo Celular e inclui a Interfase e a Mitose. (Encontra informação sobre o tema no módulo 1). A Mitose ocorre, por exemplo, para o crescimento de qualquer organismo que se desenvolve de uma única célula num organismo multicelular. Ela assegura que os organismos tenham uma determinada estabilidade genética uma vez que Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 283 assegura que todas as células (excepto as sexuais) tenham a mesma informação genética. A Mitose também assegura que células danificadas possam ser substituídas por cópias novas idênticas. Após a formação do embrião ele desenvolve-se, as suas células diferenciam-se especializando-se de acordo com as variadissimas funções a realizar. Isto significa que muitas das células perdem a capacidade de dar origem a variados tipos de células. Elas se tornam cada vez mais especializadas, por exemplo, as células nervosas, sanguíneas, células de transporte nas plantas (xilema), esclerênquima, etc. Contudo, mesmo em indivíduos adultos algumas células mantêm uma certa capacidade de originar novas células de diferentes tipos. Por exemplo, as células encontradas na medula óssea que podem formar glóbulos vermelhos e variados tipos de glóbulos brancos, isto nos animais e as células parenquimáticas, nas plantas. A função de cada tipo de célula depende do tipo de proteína por ela sintetizada e isto depende de que GENE é expresso na célula, isto é, que gene é TRANSCRITO E TRADUZIDO. A descrição do processo de transcrição da informação genética em uma molécula de RNAm e posterior tradução desta informação numa sequência de aminoácidos implica um estudo mais detalhado de aspectos biológicos que sào incluidos no ramo da Biologia denominado Genética. Então iniciamos com uma definição do conceito da Genética. Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 284 Introdução Caro estudante, a presente unidade irá falar de um assunto relevante sobre a relação da genética II. Ao contrario da genética I a genética II dedica-se muito em estudar a prática das teorias estudadas na I. o exemplo mais amplo é a Engenharia Genética ou Tecnologia do DNA Recombinante é um conjunto de técnicas que permite aos cientistas identificar, isolar e multiplicar genes de quaisquer organismos. Um exemplo seria o isolamento, extração e o enxerto de gene humano para a produção de insulina em bactérias da espécie Escherichia coli. Essas bactérias, contendo o gene humano, multiplicam-se quando cultivadas em laboratórios, produzindo insulina, o que atualmente é realizado em grande escala 12.2. Objectivos e objecto de Estudo O grande objectivo da genética II é resolver os problemas da sociedade usando o conhecimento profundo da estrutura do Genoma Humano e animal. Toda a informação que uma célula necessita durante a sua vida e a dos seus descendentes, está organizada em forma de código nas fitas dos ácidos nucléicos que constituem os armazenadores e transmissores de informação nos seres vivos. Esta informação, traduzida em proteínas permite que a célula execute todo o trabalho necessário à sobrevivência do organismo. Existem dois tipos de ácidos nucléicos: ácido desoxirribonucléico ou DNA e ácido ribonucléico ou RNA. Ambos são polímeros lineares de nucleotídios (ou nucleótidos) Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 285 conectados entre si via ligações covalentes denominadas ligações fosfodiéster. Miescher (1869-71) publicou método, que permite separar o núcleo do citoplasma. Do núcleo ele extraiu uma substância denominada nucleína, hoje conhecida por ácido nucléico, que se caracterizava por ter alta acidez, apresentava grande quantidade de fósforo e não continha enxofre. Dai a conclusão de que o objecto de estudo da genética é o material genético Humano e de todos seres vivos (animais e plantas). Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 286 A Recombinacao genética Introdução Caro estudante, na presente unidade irá falar de um do assunto relevante sobre a recombinação Génetica. A recombinação gênica acontece durante a meiose, um tipo especial de divisão celular que ocorre durante a formação do espermatozóide e óvulos e dá a eles o número correto de cromossomos. A partir do momento que as gametas se unem durante a fertilização, cada um deve conter apenas metade do número de cromossomos que outras células do corpo possuem. Caso contrário, a célula fertilizada teria cromossomos a mais. Ao completar esta unidade você será capaz de: Objectivos 1-Conhecer o fenómeno de recombição génetica. 2-Conhecer Divisão I ou Divisão Reducional. A recombinação genética Recombinação genética: Ocorre um processo de "quebra" de moléculas de DNA de organismos diferentes, e a sua integração forma um novo organismo, ou seja, é o surgimento de um novo gene através de um processo chamado crossing over. http://pt.wikipedia.org/wiki/Gen%C3%A9tica Curso de Licenciatura em Ensino de Biologia 287 O novo gene surge da combinação de dois segmentos de genes diferentes (duas moléculas de DNA). A forma como surge o gene novo é por divisão desses dois genes. Cada gene se divide em dois e cada segmento de um mesmo gene se junta com o segmento de um outro gene. Este processo acontece durante a meiose (um dos processos de divisão celular), para a produção de gametas femininas e masculino. A recombinação genética acontece para que possa haver evolução das especies animais e vegetais, como forma de adquirir resistência a um determinado antibiótico, resistência a temperaturas baixas e clima seco, ou seja, se adaptar á mudanças climáticas etc.Contribuindo para o surgimento de novas especies de seres vivos, através da especiação dos seres, que muitas vezes se não se adaptar as mudanças climáticas (entre outras mudanças que não ocorrem desde as suas origens) podem acabar sendo extintas da terra. Meiose É o tipo de divisão celular que leva à redução do número de cromossomas para metade, no qual ocorrem duas divisões nucleares sucessivas — Divisão I e Divisao II. Deste modo originam-se quatro células-filhas (três células-filhas no caso da oogénese) com metade do número de cromossomas da célula inicial, devido à separação dos cromossomas homólogos. Tendo cada célula-filha apenas um cromossoma de cada par de homólogos esta é denominada célula haplóide (n). A Interface que precede a Meiose