Fenótipo: Factores ambientais

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1 MUTAÇÕES

2 Fenótipo: Factores ambientais Genoma

3 Mutações: são alterações ou modificações súbitas em genes ou cromossomas, podendo provocar uma variação hereditária ou uma mudança no fenótipo. Pode produzir uma característica favorável num dado ambiente e desfavorável noutro. Mutantes: Indivíduos cujo património genético sofreu mutação.

4 Podem ser: Mutações génicas quando alteram a estrutura do DNA; cromossómicas quando alteram a estrutura ou o número de cromossomas.

5 Mutações Génicas As mutações génicas são responsáveis por alterarem uma ou mais bases no DNA (alterações nos genes) e consequentemente nas proteínas, determinando, muitas vezes, a formação de novas proteínas ou alterando a acção de enzimas importantes no metabolismo.

6 Mutações Génicas Podem ocorrer: nas células germinativas e assim são transmitidas hereditariamente; nas células somáticas podendo provocar a formação de tumores.

7 Tipos de Mutações Génicas Substituição ocorre a troca de um ou mais pares de bases. Chama-se transição à substituição de uma purina por outra ou de uma pirimidina por outra; Chama-se transversão à substituição de uma purina por uma pirimidina ou vice-versa. Purinas: Guanina e Adenina Pirimidinas: Citosina e Timina

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9 Inserção acontece quando uma ou mais bases são adicionadas ao DNA, modificando a ordem de leitura da molécula durante a replicação ou a transcrição.

10 Deleção acontece quando uma ou mais bases são retiradas do DNA, modificando a ordem da leitura, durante a replicação ou a transcrição.

11 Efeitos das Mutações...são sempre imprevisíveis... Benéficas (conduzem a características vantajosas); Prejudiciais (alteram o funcionamento normal da célula ou conduzem à sua morte) Neutras devido: à redundância do código genético; o novo a.a. formado tem propriedades idênticas às do a.a. substituído; a substituição ocorre numa zona da proteína que não é determinante para a sua função.

12 Mutações Cromossómicas Também chamadas de aberrações cromossómicas, são alterações na estrutura ou no número de cromossomas normal da espécie. Podem ocorrer tanto nos autossomas como nos cromossomas sexuais. Desencadeiam um conjunto de sintomas, causados pela dosagem anormal de genes (síndroma). Podem provocar anomalias e mal formações no organismo ou até a inviabilidade dele.

13 Mutações Cromossómicas Estruturais Provocam alterações na estrutura dos cromossomas, podendo ocasionar a perda de genes, a leitura duplicada ou erros na leitura de um ou mais genes. São determinadas principalmente pela ruptura da estrutura linear dos cromossomas durante o crossingover, seguida de uma reparação deficiente. Podem acontecer por deleção, duplicação, inversão ou translocação de partes de cromossomas.

14 Deficiência ou deleção quando ocorre a perda de um segmento do cromossoma, com consequente perda de genes. A B C D E A B C

15 Duplicação quando ocorre a presença de um segmento duplicado do cromossoma, acarretando uma dupla leitura de genes. A B C D E A B C D D E

16 Inversão quando ocorre a quebra de um segmento do cromossoma que se solda novamente à molécula mas de forma invertida, provocando erros na leitura dos genes. A B C D E A B C E D

17 Translocação quando ocorre a troca de segmentos entre cromossomas não homólogos, provocando erros na leitura. Simples: transferência de uma porção de um cromossoma, ou mesmo de um cromossoma inteiro, para outro não homólogo; Recíproca: troca de segmentos entre cromossomas não homólogos. São as mais comuns. A B C D E A B C P Q M N O P Q M N O D E Translocação recíproca

18 Importante: Na translocação recíproca e na inversão não há alteração do número de genes. Todos os genes estão presentes, modificando-se apenas a sua posição relativa, o que trás dificuldades acrescidas, desde logo, no emparelhamento dos cromossomas durante a meiose.

19 Mutações Cromossómicas Numéricas Ocorrem devido a meioses anómalas (nãodisjunção de cromossomas homólogos na divisão I ou não disjunção de cromatídeos na divisão II). Provocam alterações no número típico de cromossomas da espécie (cariótipo). Podem produzir anomalias graves e até a morte do organismo.

20 Tipos de Mutações Cromossómicas Numéricas Actividade 15 pág. 105

21 Mutações Cromossómicas Numéricas Nas alterações cromossómicas numéricas usa-se o sufixo Somia para indicar a alteração numérica do respectivo cromossoma. Nulissomia (2n-2) perda de um par de cromossomas homólogos. No homem é letal. Monossomia (2n-1) ausência de um dos cromossomas homólogos num dado par. Polissemias quando se verifica um aumento do número de cromossomas. Exemplo: Trissomia (2n+1) em que se verifica a presença de mais um cromossoma num dado par.

22 Síndroma de Down Trissomia do cromossoma 21 (Mongolismo semelhanças faciais com os habitantes da Mongólia); Inicialmente estudada por Langdon Down, em 1866; Muito frequente na espécie humana (com diminuição da esperança de vida e da estatura; boca pequena por vezes semiaberta, devido à dificuldade de acomodar a língua; deficiência mental 1 ; forma dos olhos característica; pescoço curto e grosso; genitália pouco desenvolvida maior susceptibilidade a infecções respiratórias; por vezes presença de malformações cardíacas e problemas cardiovasculares). 225 genes 1 Resultante da cópia extra do gene Gart aumento do nível de purinas no sangue.

23 Síndroma de Down Cariótipo 45A+XX=47 ou 45A+XY=47; Causada pela não disjunção do cromossoma 21 de um dos progenitores (normal) e mais raramente, pode acontecer por translocação entre o cromossoma 21 e o 14. Mulheres com o síndroma: podem ter descendentes normais ou também com a doença. Homens com o síndroma: estéreis.

24 Síndroma de Down

25 Alterações nos cromossomas sexuais Ocorrem pela não-disjunção dos cromossomas sexuais tanto no homem como na mulher. Duas mais conhecidas: - Síndroma de Turner (X0); - Síndroma de Klinefelter (XXY).

26 Síndroma de Turner Monossomia do cromossoma X, cariótipo 44A + X0 = 45. Sexo feminino com ovários atrofiados, deficiência hormonal, esterilidade, ausência de menstruação, mamas pequenas, vulva infantil, pescoço alado (com pregas ), deficiência cardíaca, raramente deficiência mental. Cariótipo masculino 45,Y anomalia letal

27 Síndroma de Turner

28 Síndroma de Klinefelter Trissomia do cromossoma X, cariótipo 44A + XXY = 47. Sexo masculino com testículos e pénis pequenos, reduzida pilosidade púbica, esterilidade, mamas desenvolvidas (ginecomastia), estatura elevada, deficiência mental. Cariótipo feminino 47,XXX anomalia insignificante

29 Síndrome de Klinefelter

30 2n: 46,XX SÍNDROMA DE TURNER (ESTÉRIL) 2n: 45,X0 SÍNDROMA DE KLINEFELTER (ESTÉRIL) 2n: 47,XXY 2n: 46,XY

31 Poliploidia Mecanismo que pode levar à especiação rápida. Indivíduo poliplóide: apresenta um número múltiplo exacto do genoma característico da espécie. Podem designar-se por triplóides (3n), tetraplóides (4n), pentaplóides (5n), etc., conforme tenham três, quatro, cinco ou mais genomas.

32 Como surgem os indivíduos poliplóides? Actividade 16 pág. 108

33 Podem originar-se principalmente de duas maneiras: por divisão mitótica incompleta, havendo duplicação do número de cromossomas dentro da própria espécie ou pela união de dois gâmetas não reduzidos (autopoliploidia) por hibridização interespecífica, seguida de divisão mitótica incompleta (alopoliploidia)

34 Autopoliploidia

35 Alopoliploidia

36 De onde veio o trigo do pão? Exercício 17 pág. 110

37 As mutações e o desenvolvimento biotecnológico Mutagénese Mutação A maior parte das vezes, as células podem reparar os danos causados pelas mutações: - capacidade descriminatória da DNA polimerase em relação ao emparelhamento das bases durante a replicação pode eliminar bases mal emparelhadas; - capacidade que outras enzimas têm para fazer a remoção de bases ou de nucleótidos estranhos. Por vezes o equilíbrio entre a mutagénese e a reparação rompe-se!!!

38 As mutações, a tecnologia e a vida Agentes Mutagénicos: Físicos radiações ionizantes (raios X, radiações alfa, beta e gama) e radiação ultravioleta. Químicos alguns corantes e conservantes, colchicina, alcatrão, benzeno, benzopireno, etc.

39 Os prós da biotecnologia e os contra? Exercício 18 pág. 112

40 Cancro Tumor maligno Neoplasia maligna: Doença que apresenta o crescimento de um tecido neoformado. Origem genética (alterações ao nível do DNA), hereditários (muito raros) ou esporádicos (cerca de 95%). Normalmente está associado a: - alterações dos mecanismos que regulam a divisão celular (alterações devido a um aumento da estimulação da divisão celular ou devido a deficiências nos mecanismos que impedem a divisão celular); - alterações dos mecanismos que regulam a apoptose.

41 Um organismo multicelular é, em cada momento, o resultado de um equilíbrio que se gera entre a proliferação celular e a morte programada (apoptose). Assim, em determinado momento, frequentemente durante o desenvolvimento embrionário, há células destinadas a morrer, a fim de que outras possam prosseguir a sua tarefa de constituição de tecidos e órgãos. Mas as células também podem morrer devido à acção de substâncias tóxicas ou devido à falta de nutrientes essenciais (necrose)

42 Apoptose: conjunto de fenómenos programados geneticamente que levam à morte da célula. Na apoptose, a célula encolhe, começam a formar-se bolhas e a cromatina é compactada, formando massas concentradas na parte interna do núcleo, que se parte, levando à formação dos corpos apoptóticos.

43 Células anómalas (caso das células malignas) ou Células desnecessárias ao organismo Mecanismos determinados geneticamente: Suicídio celular

44 Diariamente surgem, no nosso organismo, células neoplásicas que são naturalmente eliminadas por apoptose. Quando tal não acontece Cancro Células geneticamente alteradas Em alguns casos: invasão dos tecidos vizinhos através do sangue ou linfa (metastização)

45 Há dois tipos de genes que podem causar cancro quando sofrem mutações, provocando ou permitindo o crescimento celular descontrolado: - os proto-oncogenes ou genes promotores de crescimento, cuja actividade normal na célula está relacionada com o crescimento celular. Um proto-oncogene mutado oncogene pode provocar um crescimento celular descontrolado, causando a formação de um cancro. - os genes supressores de tumor (tumorais), regulam a proliferação celular, contrabalançando o estímulo proliferativo dos proto-oncogenes. Quando mutados, deixam de prevenir a multiplicação descontrolada das células. As células do nosso corpo são, assim, reguladas de forma a que haja um balanço entre os genes que induzem o crescimento celular e os genes que bloqueiam tal crescimento.

46 Efeitos das Mutações (conclusão) As mutações são espontâneas e podem ser silenciosas, ou seja, não alterar a proteína ou sua acção. Podem ainda ser letais, quando provocam a morte, ou ainda acarretar doenças ou anomalias. Mas As mutações também promovem a evolução já que determinam aumento na variabilidade genética. Há plantas utilizadas na nossa sociedade para vários fins ou mesmo alguns animais que consumimos diariamente que possuem um cariótipo alterado. São situações em que podemos afirmar que as mutações trouxeram vantagens não só em termos de rentabilidade mas também em termos de satisfação de marcado.

47 Fundamentos de engenharia genética molécula de DNA intocável A partir da década de 70 (séc. XX) revolução biotecnológica Ciência Tecnologia Importantes conhecimentos sobre a vida; Manipulação da vida Engenharia genética: permite conhecer melhor algumas das doenças humanas; oferece produtos sedutores à indústria; libertar a agricultura das suas dependências em relação aos adubos e aos pesticidas. Para isso a EG precisa: técnicas de elevada precisão; análises e reflexões da bioética.

48 Manipulação do DNA Extracção de genes; Transplantação de genes de umas células para outras; Multiplicação de genes; Criação de seres em tubo de ensaio Revolução biotecnológica: descoberta de enzimas de restrição (endonucleases de restrição) 1º ferramenta da engenharia genética. Estas enzimas possuem a capacidade de cortar o DNA em regiões específicas.

49 Como funcionam as enzimas de restrição? Exercício 19 pág. 116

50 Enzimas de restrição Clivagem do DNA Fragmentos de DNA em dupla hélice com uma pequena extensão em cada extremidade em cadeia simples - extremidades coesivas - capazes de se associar por ligações de hidrogénio, com outra cadeia simples em que a sequência de bases seja complementar desta. Ou seja, as duas extremidades coesivas a ligar terão de ser compatíveis, o que se sucede se os dois fragmentos ligar resultarem de uma reacção de restrição com uma mesma enzima.

51 Em suma, as enzimas de restrição, viabilizam a formação de moléculas de DNA recombinante por permitirem criar fragmentos, com a informação genética de interesse, capazes de virem a ser ligados por recurso a enzimas que catalisam a formação da ligação covalente de dois fragmentos de DNA, as ligases.

52 Vectores Após o isolamento de uma informação genética, por exemplo, um fragmento de DNA obtido pela clivagem com enzimas de restrição, este fragmento deverá ser inserido numa outra molécula de DNA diferente, capaz de amplificar aquela informação genética em centenas de cópias. Este processo de amplificação é obtido através do uso de moléculas de DNA que são os chamados vectores de clonagem molecular. Actualmente, os tipos básicos de vectores usados na metodologia do DNA recombinante apresentam características especiais que os tornam excelentes veículos de clonagem em diferentes situações.

53 Plasmídeos Os plasmídeos circulares extracromossómicos de DNA, foram os primeiros vectores a serem utilizados na clonagem de genes. Para uma dada experiência selecciona-se um plasmídeo com certas características especificas.

54 Funções Transporta um ou mais genes que lhes conferem propriedades particulares, tais como a resistência a certos antibióticos. Nota: Geralmente os seus genes não são essenciais para a sobrevivência da bactéria, podendo ser retirados.

55 Possuem pelo menos uma sequência de DNA que pode actuar como origem de replicação, sendo, por isso, capazes de se multiplicar independentemente dos cromossomas bacterianos. Os plasmídeos mais pequenos aproveitam as enzimas de replicação de DNA da célula hospedeira de modo a fazerem cópias de si próprios, enquanto que alguns dos maiores transportam genes que codificam enzimas especiais e específicas para a replicação.

56 Alguns tipos: são também capazes de se replicarem inserindose no cromossoma bacteriano. Estes plasmídeos podem ser mantidos de um modo estável nesta forma ao longo de numerosas divisões celulares, mas irão em algumas alturas existir como elementos independentes.

57 Em que consiste a técnica do DNA recombinante? Exercício 20 pág. 119

58 Processo básico da técnica do rdna Clivagem do DNA do plasmídeo num ponto específico através de uma enzima de restrição; Clivagem do DNA dador através da mesma enzima de restrição e posterior isolamento do gene que se quer inserir no plasmídeo; Contacto entre o gene a inserir e o plasmídeo e posterior fusão através das ligases do DNA; Formação do DNA recombinante (o plasmídeo passa a ter além dos seus genes, o gene estranho que lhe foi inserido); Contacto entre o plasmídeo recombinante e as bactérias (células hospedeiras); O gene inserido passa a comandar a síntese de determinada proteína a partir do rdna.

59 Processo básico da técnica do rdna

60 Aplicações do rdna Esta técnica, a partir da qual se podem obter um grande número de cópias de um determinado gene e de o colocar a executar uma tarefa desejada tem inúmeras aplicações. Hoje, já não são utilizadas como células hospedeiras apenas células procarióticas. Já se utilizam leveduras e até plantas e animais São hoje comuns as plantas e os animais em cujo genoma foram introduzidos genes que determinam características vantajosas. Organismos Geneticamente Modificados

61 DNA complementar DNA original: exões (regiões codificantes) + intrões (regiões não codificantes); Técnica utilizada quando se pretende clonar genes sem os seus intrões; cdna produzido a partir de uma molécula de RNAm maduro (desprovido de intrões depois de processado); Utiliza uma enzima capaz de sintetizar DNA a partir de RNAm extraído transcriptase reversa. Exemplo: produção de insulina Ver fig. 53 pág. 121

62 Reacções de polimerização em cadeia A técnica de PCR é relativamente recente na história da biologia molecular, tendo sido desenvolvida nos anos 80 por Kary Mullis. Esta técnica é tão importante que em 1994 Mullis ganhou o prémio Nobel. A ideia básica da técnica de PCR é bastante simples. Tratase de uma metodologia in vitro que possibilita a reprodução de milhares de cópias de um determinado fragmento de DNA. Através desta técnica, uma sequência particular de interesse pode ser amplificada, tornando-se maioritária na amostra de DNA. Deste modo, dois pequenos fragmentos de DNA, normalmente de 20 pares de bases (primers), são sintetizados in vitro. Estes primers são complementares às extremidades da região de DNA que se pretende amplificar.

63 Reacções de polimerização em cadeia O método PCR pode ter início com uma quantidade muito pequena de DNA original. Durante o processo PCR, o fragmento de DNA em questão é misturado com nucleótidos e DNA polimerase (enzima que tem a capacidade de unir os nucleótidos livres com os seus complementares na cadeia molde de DNA).

64 Reacções de polimerização em cadeia De seguida: Desnaturação da dupla cadeia de DNA com elevadas temperaturas separam-se as duas cadeias; Hibridização (annealing - emparelhamento) de pequenas sequências sintéticas de nucleótidos e síntese de cadeias complementares, por acção de uma DNA polimerase (extensão); Repetição do processo: por ciclos sucessivos de aquecimento e arrefecimento obtêm-se milhões ou biliões de cópias do fragmento de DNA original. Nota: como as enzimas sofrem desnaturação quando sujeitas a altas temperaturas recorre-se frequentemente a DNA polimerases extraídas de bactérias que vivem em meios muito quentes.

65 Reacções de polimerização em cadeia

66 Reacções de polimerização em cadeia Processo desenvolvido em Serve para amplificar uma determinada porção de DNA. Neste processo utiliza-se uma porção de DNA, nucleótidos livres (primers) e DNA polimerase. Por acção do calor separa-se a dupla cadeia em duas cadeias simples. De seguida e com temperaturas mais baixas, a DNA polimerase entra em acção e adiciona os nucleótidos que vão formar duas cadeias complementares das iniciais, que se encontram separadas. Assim, de uma dupla cadeia obtêm-se duas duplas cadeias que, com a repetição do processo, vão originar 4, depois 8, 16, É a esta contínua produção de duplas cadeias de DNA, exactamente iguais à dupla cadeia original, que se chama ampliação do DNA. Em poucos minutos consegue-se um ciclo completo, sendo possível, em algumas horas, a obtenção de milhões de cópias do fragmento inicial.

67 Uma das dificuldades encontradas neste processo é o facto de se usarem altas temperaturas o que pode destruir a enzima DNA polimerase. Para combater este problema, recorre-se a DNA polimerase extraída de bactérias que vivem em meios muito quentes.

68 A engenharia genética a revolucionar a Sociedade A engenharia genética retira, analisa e reorganiza o património genético dos seres vivos. Utiliza microrganismos com o património genético alterado no sentido de funcionarem como fábricas na produção de substâncias de interesse para o ser humano; Substitui genes que provocam doenças hereditárias num indivíduo adulto (terapia génica somática) esta técnica foi utilizada em 1999 em crianças com menos de 1 ano; Substitui genes em embriões técnica reprovada pelos comités de bioética (considera-se preferível a selecção de embriões isentos de determinados genes na reprodução assistida); Fabrica transgénicos com características desejadas que invadem os mercados.