GENÉTICA 1 INTRODUÇÃO

Transcrição

1 GENÉTICA 1 INTRODUÇÃO Genética, estudo científico de como se transmitem os caracteres físicos, bioquímicos e de comportamento de pais a filhos. Este termo foi criado em 1906 pelo biólogo britânico William Bateson. Os geneticistas determinam os mecanismos hereditários pelos quais descendentes de organismos que se reproduzem de forma sexual não se parecem exatamente com seus pais, e as diferenças e semelhanças entre pais e filhos que se reproduzem de geração em geração, segundo determinados padrões. >>> Esta imagem faz parte ds do daltonismo ou cegueira para cores. As pessoas com visão normal da cor vêem o número 57, enquanto que os daltônicos lêem 35. O daltonismo, ou incapacidade para diferenciar o vermelho e o verde e, às vezes, o azul e o amarelo, acontece devido a um defeito em um dos três tipos de células da retina sensíveis à cor. A nomalia afeta aproximadamente uma em cada trinta ssoas.

2 2 ORIGEM DA GENÉTICA A ciência da genética nasceu em 1900, quando vários investigadores da reprodução das plantas descobriram o trabalho do monge austríaco Gregor Mendel, que, apesar de ter sido publicado em 1866, havia, na prática, sido ignorado por muito tempo. Mendel, que trabalhou com a planta da ervilha, descreveu os padrões da herança em função de sete pares de traços contrastantes que apareciam em sete variedades diferentes dessa planta (ver Leis de Mendel). 3 BASES FÍSICAS DA HEREDITARIEDADE Pouco depois da redescoberta dos trabalhos de Mendel, os cientistas perceberam que os padrões hereditários que ele havia descrito eram comparáveis à ação dos cromossomos nas células em divisão, e sugeriram que as unidades mendelianas de herança, os genes, se localizavam nos cromossomos. Os cromossomos variam em forma e tamanho e em geral apresentam-se em pares. Os membros de cada par, chamados cromossomos homólogos, têm grande semelhança entre si. A maioria das células do corpo humano contém 23 pares de cromossomos. Atualmente, sabe-se que cada cromossomo contém muitos genes e que cada gene se localiza numa posição específica, o locus, no cromossomo. Os gametas originam-se através da meiose, divisão na qual só se transmite a cada célula nova um cromossomo de cada um dos pares da célula original. Quando, na fecundação, se unem dois gametas, a célula resultante, chamada zigoto, contém toda a dotação dupla de cromossomos. A metade destes cromossomos procede de um progenitor e a outra metade do outro. 4 A TRANSMISSÃO DE GENES

3 A união dos gametas combina dois conjuntos de genes, um de cada progenitor. Por isso, cada gene isto é, cada posição específica sobre um cromossomo que afeta uma característica particular está representado por duas cópias, uma procedente da mãe e outra do pai. Quando as duas cópias são idênticas, diz-se que o indivíduo é homozigótico para aquele gene particular. Quando são diferentes, ou seja, quando cada progenitor contribuiu com uma forma diferente, ou alelo, do mesmo gene, diz-se que o indivíduo é heterozigótico para o gene. Ambos os alelos estão contidos no material genético do indivíduo, mas se um é dominante, apenas este se manifesta. No entanto, como demonstrou Mendel, a característica recessiva pode voltar a manifestar-se em gerações posteriores (em indivíduos homozigóticos para seus alelos). 5 FUNÇÃO DOS GENES: O ADN (DNA) E O CÓDIGO DA VIDA

4 Em 1944, o bacteriologista canadense Oswald Theodore Avere demonstrou que o ácido desoxirribonucléico (ADN) era a substância fundamental que determinava a herança (ver Ácidos nucléicos). O geneticista norte-americano James Watson e o britânico Francis Compton Crick descobriram que a molécula de ADN é formada por duas cadeias que se enrolam, compondo uma hélice dupla, semelhante a uma escada em caracol. As cadeias, o corrimão da escada, são constituídas por moléculas de fosfato e carboidratos que se alternam. As bases nitrogenadas, dispostas em pares, representam os degraus. Para fazer uma cópia nova e idêntica da molécula de ADN, só é necessário que as duas cadeias se estendam e se separem por suas bases; graças à presença na célula de mais nucleotídeos, pode-se unir a cada cadeia separada bases complementares novas, formando duas duplas hélices. Desde que se demonstrou que as proteínas eram produto dos genes, e que cada gene era formado por frações de cadeias de ADN, os cientistas chegaram à conclusão de que deve haver um código genético através

5 do qual a ordem dos trípletes (ou códons) define a ordem dos aminoácidos no polipeptídeo. As duas cadeias do ADN se separam numa porção de seu comprimento. Uma delas atua como suporte sobre o qual se forma o ARN mensageiro (ARNm), num processo denominado transcrição. A molécula nova de ARNm se insere numa estrutura pequena chamada ribossoma, de onde se forma a proteína. Neste processo, denominado tradução, a seqüência de bases de nucleotídeos presentes no ARNm determina a ordem em que se unem os aminoácidos, para formar o polipeptídeo. 6 MUTAÇÕES Embora a replicação do ADN seja muito precisa, ela não é perfeita. Em raros casos, produzem-se erros e o ADN novo contém um ou mais nucleotídeos trocados. Um erro deste tipo, que recebe o nome de mutação, pode acontecer em qualquer área do ADN. Se acontecer na seqüência de nucleotídeos que codifica um polipeptídeo particular, este pode apresentar um aminoácido trocado na cadeia polipeptídica. Esta modificação pode alterar seriamente as propriedades da proteína resultante. Por exemplo, os polipeptídeos que distinguem a hemoglobina normal da hemoglobina das células falciformes diferem em apenas um aminoácido (ver Anemia das células falciformes). Quando se produz uma mutação durante a formação dos gametas, esta se transmitirá às gerações seguintes. Diferentes formas de radiação, como os raios X, assim como as temperaturas elevadas e vários compostos químicos, podem induzir a mutações. A substituição de um nucleotídeo por outro não é o único tipo possível de mutação. Algumas vezes, pode-se ganhar ou perder por completo um nucleotídeo. Além disso, é possível que se produzam modificações mais óbvias ou graves, ou que se altere a própria forma e o número dos cromossomos. Uma parte do cromossomo pode se separar, inverter e depois se unir de novo ao cromossomo no mesmo lugar. Isto é chamado de inversão. Se o fragmento separado se une a um cromossomo diferente, ou a um fragmemto diferente do cromossomo original, o fenômeno se denomina translocação. Algumas vezes, perde-se um fragmento de um cromossomo que faz parte de um par de cromossomos homólogos, e este fragmento é adquirido por outro. Então, diz-se que um apresenta uma deficiência e o outro uma duplicação. Outro tipo de mutação produz-se quando a meiose erra a separação de um par de cromossomos homólogos. Isto pode originar gametas e portanto zigotos com cromossomos demais, e outros onde faltam um ou mais cromossomos. Os indivíduos com um cromossomo a mais são chamados trissômicos, e aqueles nos quais falta um, monossômicos. Ambas as situações tendem a produzir incapacidades graves. Por exemplo, as pessoas com síndrome de Down são trissômicas, com três cópias do cromossomo HEREDITARIEDADE HUMANA

6 A maioria das características físicas humanas recebe influências das múltiplas variáveis genéticas e também do meio. Algumas, como a altura, possuem forte componente genético, enquanto outras, como o peso, têm um componente ambiental muito importante. No entanto, parece que outros caracteres, como os grupos sangüíneos (ver Grupo sangüíneo) e os antígenos que atuam na rejeição dos transplantes, estão totalmente determinados por componentes genéticos. Os biólogos têm grande interesse no estudo e na identificação dos genes. Quando determinado gene provoca uma doença específica, seu estudo é muito importante, do ponto de vista médico. O genoma humano contém entre 50 mil e 100 mil genes, dos quais cerca de 4 mil podem estar associados a doenças. O Projeto Genoma Humano, coordenado por várias instituições, começou em 1990, com o objetivo de estabelecer o genoma humano completo. No final da década, pesquisadores americanos e britânicos decifraram pela primeira vez o genoma de um organismo pluricelular, um verme nematódeo de 1 mm de comprimento chamado Coenorhabditis elegans. O seqüenciamento do código genético consiste em determinar com precisão o encadeamento dos pares de nucleotídeos, elementos unitários da estrutura do ADN, que são medidos em milhões de bases. O genoma do verme estudado é constituído de 97 milhões de bases, que formam 19 mil genes. O estudo desses genes deverá permitir uma melhor compreensão do genoma humano (que tem cerca de 3 bilhões de bases), pois o Coenorhabditis elegans tem muitos genes em comum com os seres humanos. Os cientistas dos principais países participantes do Projeto Genoma Humano (HGP) anunciaram, em 26 de junho de 2000, que o genoma humano está quase inteiramente decifrado. Os pesquisadores do HGP afirmam ter efetuado o seqüenciamento de mais de 90% do três milhões de bases de ácidos nucléicos que constituem o patrimônio genético do homem. Este esboço na descrição total do genoma humano é apenas uma etapa na compreensão da função de dezenas de milhares de genes contidos no ADN (DNA) humano. Ver também Gene; Engenharia genética; Hereditariedade. DNA..

7 O ácido desoxirribonucleico, DNA, é considerado a molécula fundamental da maioria dos seres vivos. É ele que contém todas as informações genéticas de cada indivíduo, e que tem a capacidade de transmiti-las à sua descendência. É uma molécula grande, formada por repetições de apenas quatro unidades básicas, o que a tornou uma forte candidata a ser o material hereditário desde que foi identificada. Watson e Crick, em 1953, publicaram na revista Nature uma descrição completa das propriedades da molécula e foram os primeiros a sugerir sua função. As quatro unidades básicas do DNA são os nucleotídeos: Adenina (A), Citosina(C), Guanina (G) e Timina (T). Timina e Citosina são pirimidinas; Adenina e Guanina são purinas. O DNA é formado por uma fita de nucleotídeos ligados em ordens diversas e outra fita complementar, ou seja, com nucletídeos que se encaixem na outra fita: A com T e C com G. Essas duplas formadas são chamadas pares de bases. O genoma humano possui 4 x 10 9 pares de bases. A distância entre pares adjacentes na dupla fita, ou dupla hélice, é de 3,4 Å. Isso é igual a 3,4 x 10-1 nm = 3,4 x 10-4 µm =3,4 x 10-7 mm. Portanto, uma célula do corpo de um indivíduo, diplóide (tem duas cópias do genoma), tem 2,72m de DNA. O corpo de um adulto tem células, o que dá um total de 2,72 x km (28 bilhões de quilômetros de DNA!). A duplicação, ou Replicação do DNA dos organismos eucariotos é bastante precisa: um nucleotídeo errado a cada 10 9 a nucleotídeos incorporados na fita. Mutação é qualquer alteração na seqüência original de uma molécula de DNA. Há vários tipos de mutação: desaminação: a base nitrogenada perde um radical amino (-NH2) e liga-se erradamente com seu par. perda de base: a base é perdida durante uma duplicação do DNA; a perda mais comum é a de purinas: 5000 por célula por dia! dimerização de pirimidinas: a luz UV (ultravioleta) provoca ligações erradas entre duas pirimidinas (geralmente T) vizinhas. Essa mutação é corrigida por uma enzima de reparo que é ativada pela luz normal, visível. Esse tipo de mutação é a causa da UV provocar câncer de pele; afinal, o câncer sempre origina-se de um defeito no material genético de uma célula. intercalação de agentes mutagênicos (cancerígenos) no DNA agentes físicos: além da UV, também os raios X, alfa, beta, gama, raios cósmicos e feixes de nêutrons são perigosos em doses grandes; os efeitos dependem do total de radiação recebida, não importando o tempo: são doses aditivas. Após conhecer tantas mutações, é normal perguntar-se: por que o câncer não é mais freqüente entre os seres vivos? As mutações são inevitáveis, pois o DNA,

8 como qualquer substância química, não é totalmente estável. Então, os seres vivos desenvolveram mecanismos para corrigir esses erros naturais: é o chamado sistema de reparo. São enzimas especializadas em reverter as mutações, seja por correção direta ou por excisão do pedaço errado e reconstrução. Essas enzimas podem variar ligeiramente em sua eficiência de pessoa para pessoa, pois é uma carga genética. Pessoas com um reparo melhor têm menos chance de desenvolver câncer. Esse é, portanto, o fator genético na tendência maior ou menor para o câncer. Um exemplo extremo é a doença genética xeroderma pigmentoso: há uma total ausência da enzima de reparo que corrige o efeito nocivo do UV. O paciente sofre de cânceres de pele repetidos, crônicos, e tem uma chance de vida menor. O DNA tem duas funções básicas: Replicação (responsável pela hereditariedade) e Transcrição (de genes, para fornecer mensagens). O RNA resultante pode ser de três tipos: mrna (mensageiro), rrna (ribossômico) e trna (transportador). Juntos, eles realizam a Tradução, que dá como produto final um polipeptídeo de cada gene. Polipeptídeos podem ser proteínas ou parte delas, e são a parte ativa e funcional da célula. Sabendo que um gene dá origem a um polipeptídeo e que os organismos mais complexos são os que apresentam uma diversidade maior de proteínas em sua composição, surge a idéia de que os organismos mais complexos devem ter mais DNA. Essa quantidade de DNA é medida pelo valor C, que é a quantidade de bases em um genoma haplóide. Isso é verdade em um plano de comparação: os eucariotos têm mais DNA que os procariotos, com apenas uma exceção. Mas, entre os eucariotos, há valores surpreeendentes: veja a tabela a seguir (Tabela 1): Tabela 1 Espécie Nome Popular Valor C (kbases) Drosophila melanogaster drosófila (mosca-das-frutas) Paramecium aurelia Paramécio Homo sapiens Homem Paramecium caudatum Paramécio Ophioglossum petiolatum Samambaia Amoeba proteus Ameba As duas espécies de paramécio (protozoário) têm mais DNA que a drosófila, um inseto! O homem têm mais DNA que uma espécie de paramécio, mas tem menos

9 do que a outra espécie, menos que a samambaia e muito menos que as amebas! A isso se deu o nome do Paradoxo do valor C. Parece intrigante, mas isso se deve aos espaços no DNA que não codificam nada e ao DNA repetido. Algumas espécies podem sustentar mais DNA inútil do que outras, e acumulam durante os séculos quantidades absurdas de material genético, sem contudo tronar-se mais complexas. O Código Genético Introdução Do Gene à Proteina Histórico da Relação entre Genes e Proteinas # A compreensão da relação entre genes e proteinas veio com o esclarecimento da natureza quimica do gene. Entre os séculos XIX e XX, pesquisadores compreenderam que as proteinas são os principais produtos funcionais dos genes. # É por meio das proteinas que o código contido no DNA se manifesta. # Em um artigo publicado em 1838, o quimico holandeês Gerardus J. Mulder usou pela primeira vez o termo proteina para se referir às substâncias albuminóides. # Na virada do século XX, quimicos descobriram que sua degradação liberava aminoácidos. Em meados de 1940, já se forneceram as primeiras evidências de que os genes são constituidos do ácido desoxirribonucléico (DNA). # Em 1953, Watson e Crick desvendaram o DNA. # Em 1954, o astrofisico George Gamow sugeriu que cada aminoácido de uma proteina era determinado por uma trinca de nucleotídeos do DNA. # Em 1958, Crick lançou a idéia de que as proteinas seriam produzidas a partir de um molde de RNA, que era copiado do DNa. Sugeriu também a existência de moleculas adaptadoras, que ordenariam os aminoácidos sobre o molde de RNA. # Nos anos seguintes evidenciaram a existência do molde de RNa, denominado RNAm. Decobriu-se também a existência de pequenas moléculas de RNA responsáveis pela captura dos aminoácidos e por seu transporte até os ribossomos, onde ocorre a sintese das proteinas. Cada uma dessas moléculas é um RNat, e possui, em certo local, uma trinca de nucleotideos, chamada anticódon, que se parelha a uma trinca complementar, o códon, presente no RNAm.

10 # Na década de 60, desvendaram o sistema de codificação genética, estabelecendo a relação entre aminoácidos e códons correspondentes do RNAm. Conceito de Gene - O que é um gene? São entidades responsáveis pela transmissão das caracteristicas de uma geração à outra. - Os genes estão localizados nos cromossomos das células. - A decifração do código trouxe questões como: Toda sequência de DNA é um gene? Qual o papel do DNA que não codifica proteinas? Na molécula de DNA, onde termina e onde começa um gene? - Atualmente, gene é definido como uma sequência de DNA que codifica (transcreve) moléculas funcionais de RNA. Colinearidade Gene - Proteina - Genes são colineares com as proteinas que codificam. - A ordem de nucleotideos no gene se correlaciona diretamente com a ordem dos aminoácidos na proteina. - O terminal amino de uma proteina corresponde à extremidade 5' do gene. Cada Códon é uma trinca de nucleotideos - O que é códon? Grupo de nucleotideos que codificam um único aminoácido. - A proteina é formada por um conjunto de 20 aminoácidos diferentes. - As proteinas são codificadas por códons, e estes formados por 3 nuceotídeos cada. Modificações em um Gene - O que aconteceria se fosse introduzida uma série de inserções e/ou deleções em um gene que codifica uma proteina? Produziria uma proteína não funcional, pois os códons seguintes à mutação seriam alterados. - Experiências foram feitas alterando-se a sequência de nucleotideos de um gene em um ponto especifico e determinar se a mudança resultante na sequência de aminoácidos do polipeptídeos correspondente ocorria na mesma posição relativa ou em algum outro lugar. O resultado foi uma demonstração clara de colinearidade entre gene e proteínas, ou seja, modificando-se um gene haverá modificação na estrutura da proteína que ele codifica.

11 Elucidação do Código - Progressos tecnológicos Alta tecnologia Bioinformática Internet * * - Principais avanços: Sintese de moléculas de RNA; Sintese proteica Características do Código - O código possui 3 características importantes Redundância * Todos os aminoácidos, exceto a metionina e o triptofano possuem mais de um códon. Contém códons de pontuação * Códons definalização: as trincas UAA, UGA, UAG não codificam um aminoácido e interrompem a sintese. * Códons de iniciação : a trinca AUG marca ondo a traddução deve começar. AUG codifica a metionina. - Não é universal O Código Genético - Uma proteina é codificada pela sequência de códons presentes na molécula de RNAm. - Embora redundante (degenerado), o sistema de codificação genético não é ambiguo, pois nenhum códon corresponde a dois aminoácidos diferentes. - O código genético passa por duas etapas importantes para se chegar à proteina, são elas: * Transcrição; * Tradução. 01. Transcrição e Tipos de RNA A ação básica de todo gene consiste em transferir sua informação codificada para moléculas de RNA. Esse processo é denominado transcrição gênica. As duas cadeias que compõem o DNA do gene separam-se e apenas uma delas orienta a formação de uma cadeia de RNA, para a qual é transcrita a informação genética. A sequência de bases do RNA é complementar a sequência de bases da

12 cadeia de DNA modelo, com uma diferença que no RNA está presente uma urcila em vez da base timina. Os principais tipos de RNA são o ribossômico (RNAr), o transportador (RNAt), e o mensageiro (RNAm). Os três atuam conjuntamente na sintese das proteínas. 02. Tradução A informação que o DNA transcreve para o RNAm, portanto, traduz-se em uma proteína. Por isso, a sintese dessa substância é chamada tradução gênica. A tradução gênica ocorre em três etapas fundamentais para a formação de uma proteína: * Inicação; * Elongação; * Terminação. Etapas da Tradução Gênica - A proteína é sintetizada em 3 etapas: * Iniciação: conjunto de reações que precedem a formação da primeira ligação peptídica da proteína; * Elongação: inclui todasas reações que ocorrem desde a formação da primeira ligação peptídica até a incorporação do último aminoácido à proteina; * Terminação: processos envolvidos na liberação do polipeptdeo já pronto. Figura. A.

13 A Função da Proteína depende de sua sequência de aminoácidos - Consideremos aquelas proteínas que precisam se ligar a uma molécula de DNA a fim de desempenhar sua função na célula. Estas proteínas formam um grupo amplo e diverso que inclui, por exemplo, a RNA polimerase e um número de importantes proteínas regualdoras, que modulam e bloqueiam a transcrição de genes distintos. - A função de uma proteína depende de sua sequência de aminoácidos que, por sua vez, é especificada pela sequência de nucleotideos no mrna, que é a própria cópia do gene. - A ilustração seguinte mostra como a proteina se liga à molecula de DNA para desempenhar sua função: Figura B

14 Consequências e Avanços - Biotecnologia auxiliar para o avanço das ciência; - Métodos computacionais adequados; - Desenvolvimento tecnológico; - Aparecimento de novos medicamentos preventivos; - Rapidez na análise das sequências e na comunicação com outros institutos de pesquisa. Conclusão

15 A informação genética é transportada na sequência linear de nucleotídeos no DNA. Cada molécula de DNA é uma dupla-hélice formada por duas fitas complementares de nucleotídeos, e mantidas juntas por pontesde hidrogênio. A expressão da informação genética, envolve a tradução, em proteínas, da sequência linear de nucleotídeos em uma sequência co-linear de aminoácidos. Os genes são sub-unidades de DNA, que transmite as caracteristicas de uma geração à outra e codifica moléculas funcionais de RNA. Os genes estão ligados diretamente às proteínas pelo fato de elas exercerem ou não sua função normal. O grande avanço tecnológico possibilitou-nos sequenciar o Genoma Humano através de computadores de bioinformática e a biotecnologia auxiliaram de forma decisiva para o sucesso da ciência. Referências Bibliográficas Broun,T.A. GENÉTICA - Um enfoque molecular. Ed. Guanabara Koogan, 3 edição. Alberts, B. e outros. Biologia Molegular da Célula. Ed. Artes Médicas, 3 edição.