UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA DEPARTAMENTO DE PARASITOLOGIA, MICROBIOLOGIA E IMUNOLOGIA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA DEPARTAMENTO DE PARASITOLOGIA, MICROBIOLOGIA E IMUNOLOGIA Genética Bacteriana Disciplina: Microbiologia Geral e Aplicada à Enfermagem Professora:Luciana Debortoli de Carvalho

2 Genética Bacteriana As bactérias possuem material genético que é transmitido aos descendentes no momento da divisão celular. Este material genético não está contido dentro de um núcleo, portanto o genoma destes microrganismos está disperso no citoplasma. ORGANIZAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO O genoma bacteriano está condensado e organizado em uma estrutura denominada NUCLEÓIDE.

3 A informação genética pode ser utilizada de duas formas

4 DNA Componentes do DNA

5 Purinas Adenina Guanina Pirimidinas Timina Citosina Bases nitrogenadas

6 Ligação glicosídica entre átomo C1 do açúcar e átomo N das bases

7 Ligação fosfodiéster Estrutura química do DNA fita simples

8 Ligações de hidrogênio Ligações de hidrogênio Ligações de hidrogênio Estrutura química do DNA fita dupla

9

10 Antiparalelas Complementares

11 Resumo dos eventos da forquilha de replicação do DNA

12 Cromossomo bacteriano Molécula de DNA dupla fita circular; Não delimitado por membrana; Todas as informações essenciais para a sobrevivência da célula; Possuem apenas uma cópia de seu cromossomo, sendo portanto haploides.

13 Cromossomo Bacteriano Cromossomos: elemento genético que carreia os genes essenciais à função celular.

14 Superenovelamento positivo ou negativo DNA girase

15 Pol III adiciona 1000 nucleotídeos/s com um erro de 10-9 /geração

16 ORGANIZAÇÃO DO GENOMA GENE: sequência de nucleotídeos do DNA que é expresso em um produto funcional, ou seja, molécula de RNA e proteína. GENOMA: seqüência completa de DNA; algumas não são convertidas em produtos funcionais Sequências não-codificadoras: INTRONS (bactérias não possuem) Sequências codificadoras: EXONS OPERON: grupos de um ou mais genes estruturais expressos a partir de um promotor específico. Operons com muitos genes estruturais são chamados policistrônicos. Promotores e operadores: sequências de nucleotídeos que controlam a expressão de um gene determinando as seqüências que serão transcritas no mrna. Transcrição Tradução DNA RNA PROTEÍNA

17 A transcrição e a tradução ocorrem simultaneamente nas bactérias

18 Elementos genéticos extracromossomais Plasmídeos Moléculas de DNA dupla fita Circulares; Menores que os cromossomos; Auto-duplicam (independentemente do cromossomo); Carregam informação genética não essencial a célula, mas podem prover uma vantagem seletiva. Ex.: genes de resistência a antibióticos, toxinas.

19 Elementos celulares envolvidos na genética bacteriana

20

21 DNA móvel: elementos transponíveis Transposons São elementos que mudam de posição dentro do genoma. Podem estar presentes no cromosssomo ou no plasmídeo. Também chamados de genes saltadores. Podem afetar a expressão de outros genes. Não se auto-duplicam. Molécula de DNA dupla fita com extremidades repetidas e invertidas;

22 Transposons Genes de transposição Ex: gene de resistência a um antibiótico Podem afetar a expressão de outros genes (rearranjo cromossomal)

23 Alterações fenotípicas e genotípicas Genótipo de um organismo: é sua composição genética, a informação que codifica todas as características particulares do organismo. Representa a coleção de genes, todo o seu DNA, a sequência de pares de bases. Fenótipo de um organismos: refere-se às propriedades reais, expressas, como a capacidade do organismo de realizar uma reação química em particular. Expressão do genótipo, interferência do ambiente.

24 Alterações Fenotípicas: variações na expressão dos genes sem que estes sofram modificações. Resultam das adaptações das bactérias ao ambiente. São reversíveis, sem comprometimento genético. Ex.: Serratia marcescens (37 C sem pigmentação, 28 C - alaranjadas) interferência do ambiente.

25 Variação do fenótipo de Serratia marcescens crescimento em diferentes temperaturas 37ºC 28ºC

26 Alterações Genotípicas: alterações na sequência dos pares de bases. Quando ocorrem ao acaso, atingem poucos indivíduos em uma população. São irreversíveis (através dos processos de mutação e recombinação).

27 Alterações Genotípicas 1. Mutação: alteração na sequência de bases do DNA sem aquisição de genes de outro microrganismo. 2. Recombinação genética: alteração no genótipo que ocorre pela aquisição de genes de outro microrganismo.

28 Alterações Genotípicas MUTAÇÃO RECOMBINAÇÃO Processo vertical; Ocorre durante a replicação do cromossomo bacteriano Processo horizontal; Ocorre durante os processos de transformação, transdução ou conjugação

29 1. Mutação Geralmente resultante de deleção, inserção ou substituição de um ou mais nucleotídeos. Esta alteração genética pode modificar o produto (proteína). As mutações podem ser neutras ou silenciosoas, desvantajosas ou benéficas. Erro que ocorre durante a replicação do material genético que pode ser espontâneo ou induzido.

30 Mutação Espontânea Ocorre naturalmente sem a adição de um agente mutagênico específico, geralmente decorrente de erros cometidos pela DNA polimerase (enzima que sintetiza DNA durante a replicação). Induzida Resultado da exposição do microrganismo a um agente mutagênico que é capaz de introduzir danos ou alterações no DNA. *físico radiações UV *químico nitrosoguanidina, óxido nitroso

31 Mutação Pontual: envolve um único par de bases. Mutação por inserção: ganho de pares de bases. Mutação por deleção: perda de pares de bases.

32 Principais tipos de mutação Mutação puntiforme Mutação por inserção Mutação por deleção Transposição

33 Recombinação genética Alteração no genótipo que ocorre através da troca física de DNA entre elementos genéticos. Requer transferência de material genético de uma bactéria para outra (transferência horizontal de genes).

34 Embora as mutações sejam responsáveis pela expressão de várias novas características por uma célula, muitos fenótipos procarióticos são decorrentes da aquisição de novos fragmentos de DNA, por meio de processos de transferência horizontal de genes. Mecanismos de recombinação genética bacteriana Transformação Conjugação Transdução

35 Transformação Incorporação de DNA livre, geralmente decorrente da lise celular Algumas bactérias são naturalmente transformáveis (competentes). Na natureza, o processo ocorre quando uma célula sofre lise, liberando seu DNA. Este, por ser de grande tamanho tende a sofrer quebras, originando centenas fragmentos pequenos. Como uma célula absorve poucos fragmentos, apenas uma pequena proporção de genes podem ser transferidos.

36 Transformação

37 Transformação: o Frederick Griffith: Streptococcus pneumoniae o 4 experimentos: Com cápsula: patogênica Sem cápsula: não patogênica S. pneumoniae capsuladas vivas em camundongos vivos ->Camundongos morreram! S. pneumoniae sem cápsula vivas em camundongos vivos ->Camundongos não morreram! S. pneumoniae capsuladas mortas em camundongos vivos -> Camundongos não morreram! S. pneumoniae sem cápsula vivas e S. pneumoniae capsuladas mortas em camundongos vivos.?????

38 As bactérias não-encapsuladas vivas absorveram material genético das encapsuladas mortas pelo calor e passaram a produzir cápsula, o que lhes conferiu a capacidade de causar doença. As bactérias não-encapsuladas foram transformadas em encapsuladas.

39 Para que o processo ocorra, é necessário que a célula encontre-se competente - apresentar sítios de superfície para a ligação do DNA da célula doadora - e apresentar a membrana em uma condição que permita a passagem deste DNA. O estabelecimento da competência é um fenômeno controlado, envolve a participação de diferentes proteínas (ligação ao DNA, membrana, autolisinas, nucleases), e depende de várias condições distintas nos diferentes microrganismos como fase de crescimento, condições ambientais, temperatura e a concentração de cátions.

40 Conjugação Processo de transferência de DNA de uma bactéria para outra, envolvendo o contato entre duas células. A conjugação está associada à presença de plasmídeos F. Estes plasmídeos contêm genes que permitem a transferência do DNA plasmidial de uma célula para outra. Célula F+: célula portadora do plasmídeo F Célula F-: célula não portadora do plasmídeo F

41 Conjugação - Formação de pares específicos Etapas da conjugação - Conexão celular - Mobilização do fator F - Transferência do fator F

42 Transdução Transferência de material genético mediada por vírus (bacteriófagos). Mediada por vírus, podendo ser generalizada (qualquer fragmento de DNA) ou especializada (genes específicos).

43 Transdução generalizada Ciclo lítico - pode haver o empacotamento de fragmentos de DNA da célula hospedeira, gerando partículas denominadas partículas transdutoras, que correspondem ao capsídeo viral contendo em seu interior DNA bacteriano. Empacotamento acidental

44 Transdução especializada Ciclo lisogênico A etapa inicial corresponde à infecção e lisogenização do fago, que ocorre em sítios específicos do genoma. Pela ação de algum indutor (ex: UV) há a separação do fago do genoma, que normalmente ocorre perfeitamente. Entretanto, em alguns casos, essa separação é defeituosa, promovendo a remoção de genes bacterianos e deixando parte do genoma viral na célula. Alta frequência de transferência

45 Qual o custo (em termos de energia e recursos) para fazer uma proteína? Porque regular? Para uma proteína de tamanho médio (300 aminoácidos): moléculas de ATP átomos de carbono -540 átomos de nitrogênio Escherichia coli tem cerca de 4000 genes que codificam aproximadamente 2000 proteínas. Imaginem o custo se todas estas proteínas fossem produzidas todo o tempo!

46 Quem, quando, quanto? Já que a síntese de proteínas requer grandes quantidades de energia e recursos, as bactérias desenvolveram mecanismos elaborados para controlar a escolha de quais proteínas são feitas em diferentes momentos, sob diferentes condições ambientais. Isso é regulação gênica.

47 REGULAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO A regulação da síntese protéica no nível genético é eficiente em termos energéticos, pois as proteínas são sintetizadas somente quando necessário. As enzimas constitutivas produzem em uma velocidade fixa. Ex. enzimas da glicólise. Para esses mecanismos reguladores genéticos, o controle é dirigido à síntese de RNAm. Repressão Controla a síntese de uma ou mais enzimas; Quando as células são expostas a um produto final específico, a síntese das enzimas relacionadas aquele produto diminui. Indução Na presença de certas substâncias químicas, as células sintetizam mais enzimas; Ex. lactose presente E. coli produz -galactosidase degrada lactose; Operon: Grupo de genes estruturais regulados coordenadamente com funções metabólicas relacionadas e os sítios promotor e operador que controlam sua transcrição;

48 REGULAÇÃO DO GENOMA BACTERIANO Sítio Operador permite que a RNA polimerase transcreva ou não a seqüência de genes (controle da transcrição). Cada operon corresponde a uma via metabólica. Os operons podem ser induzidos ou reprimidos. No modelo de operon por um sistema indutível, um gene regulador codifica a proteína repressora; Quando o indutor está ausente, o repressor liga-se ao operador e não há síntese de RNAm. Quando o indutor está presente, liga-se ao repressor, de modo que ele não pode se ligar ao operador, portanto, o RNAm é produzido e a síntese da enzima é induzida. Em sistemas repressíveis, o repressor requer um co-repressor, de modo a ligar-se ao sítio operador, portanto, o co-repressor controla a síntese da enzima. Ex. Operon-LAC (Operon da Lactose)

49

50 Bibliografia TRABULSI. Microbiologia. Atheneu Editora, MADIGAN et al., Microbiologia de Brock, 12 a edição. TORTORA et al., Microbiologia 8 a. Ed. Artmed editora.

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