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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.
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