Universidade Federal Rural do Rio de janeiro Instituto de Biologia Departamento de Genética

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1 Universidade Federal Rural do Rio de janeiro Instituto de Biologia Departamento de Genética GENÉTICA VEGETAL MAURICIO BALLESTEIRO PEREIRA ANA LÚCIA CUNHA DORNELLES Sumário. 1. INTRODUÇÃO: MENDEL, O INÍCIO DA GENÉTICA 2. FUNDAMENTOS DE GENÉTICA MOLECULAR 2.1. ESTRUTURA DO DNA 2.2. REPLICAÇÃO DO DNA 2.3. TRANSCRIÇÃO DO DNA 2.4. TRADUÇÃO SÍNTESE DE PROTEÍNAS 3. GENÉTICA DE POPULAÇÕES 3.1. DEFINIÇÃO DE POPULAÇÃO 3.2. FREQÜÊNCIA GÊNICA E GENOTÍPICA 3.3. PADRÕES REPRODUTIVOS DAS POPULAÇÕES 3.4. FREQÜÊNCIAS EM UMA POPULAÇÃO PANMÍTICA FREQÜÊNCIAS EM UMA POPULAÇÃO ENDOGÂMICA 3.6. FREQÜÊNCIAS EM UMA POPULAÇÃO EXOGÂMICA 3.7. FATORES QUE AFETAM AS FREQÚÊNCIAS GÊNICAS DAS POPULAÇÕES MUTAÇÃO GÊNICA MIGRAÇÃO GENÉTICA OSCILAÇÃO GENÉTICA SELEÇÃO VARIÂNCIA E MÉDIA DA POPULAÇÃO. EFEITO MÉDIO DA SUBSTITUIÇÃO DO GENE VALOR REPRODUTIVO, VALOR GENÉTICO OU VALOR ADITIVO 1

2 4. CARACTERES QUANTITATIVOS 4.1. SISTEMAS DE GENES 4.2. PROPRIEDADES DO CARÁTER QUANTITATIVO CONTROLE POR MUITOS PARES DE GENES EFEITOS PEQUENOS POR GENES SOBRE O FENÓTIPO AÇÃO GÊNICA AÇÃO DO AMBIENTE DISTRIBUIÇÃO DE FREQÜÊNCIAS 5. COMPONENTES DA VARIÂNCIA FENOTÍPICA VARIÂNCIA GENOTÍPICA E VARIÂNCIA AMBIENTE. CONCEITO DE VALOR FENOTÍPICO E VALOR GENOTÍPICO COMPONENTES DA VARIÂNCIA GENOTÍPICA. VARIÂNCIA ADITIVA, VARIÂNCIA DE DOMINÂNCIA E VARIÂNCIA EPISTÁTICA. VALOR ADITIVO 6. CORRESPONDÊNCIA ENTRE FENÓTIPO E GENÓTIPO CORRELAÇÃO ENTRE VALOR FENOTÍPICO E VALOR GENOTÍPICO. COEFICIENTE DE DETERMINAÇÃO REGRESSÃO DO VALOR GENOTÍPICO SOBRE O VALOR FENOTÍPICO. HERDABILIDADE NO SENTIDO AMPLO REGRESSÃO DO VALOR ADITIVO SOBRE O VALOR FENOTÍPICO. HERDABILIDADE NO SENTIDO RESTRITO. 7. SEMELHANÇA ENTRE PARENTES PARENTESCO GENÉTICO 7.2. COVARIÂNCIA ENTRE INDIVÍDUOS APARENTADOS. 8. PROGRESSO GENÉTICO POR SELEÇÃO. 8. CORRELAÇÃO INTRA-CLASSE. REPETIBILIDADE. 9. ESTIMAÇÃO DA HERDABILIDADE NO SENTIDO RESTRITO 10. GRAU MÉDIO DE DOMINÂNCIA 2

3 1. INTRODUÇÃO: MENDEL, O INÍCIO DA GENÉTICA Desde a Antigüidade, os seres humanos perceberam as semelhanças entre parentes, principalmente no que diz respeito a pais e filhos. Diversas explicações foram sendo utilizadas à medida que o nível de conhecimento humano foi se alterando. Uma explicação muito popular até ao início deste século era a de que a herança dos caracteres se dava por fluidos orgânicos existentes no sangue e que passavam de pais para filhos. Contribuía para essa hipótese as observações de que em muitos caracteres os filhos apresentavam valores intermediários aos pais. Além disso, os filhos apresentavam uma mistura de características dos pais. Em 1866, Gregor Mendel publicou os resultados de uma pesquisa que, pela primeira vez elucidou a herança de caracteres. Mendel trabalhou com ervilhas de jardim, Pisum sativa L., uma planta autógama de alta variabilidade. O seu procedimento altamente criterioso permitiu resultados claros para sete caracteres dessa planta, que seguiam um padrão semelhante. Para o seu trabalho Mendel escolheu plantas que por várias gerações produziram sempre características inalteradas, por isso afirmou que elas eram puras para essas características, e pelo cruzamento de plantas com características diferentes pode estabelecer o padrão de herança. Por exemplo, ele tomou plantas puras para a característica cor da semente, que pode ser verde ou amarela. Cruzou plantas puras para essas características, obtendo uma geração híbrida, que posteriormente foi chamada F1. Todas as plantas da F1 tinham sementes verdes. A seguir autofecundou as plantas F1, obtendo a geração F2. Essa geração apresentou plantas com sementes verdes e amarelas na proporção 3 para 1, aproximadamente. Depois Mendel autofecundou ainda as plantas F2, colhendo separadamente cada planta, e percebeu que todas as plantas com sementes amarelas (1/4 do total) produziram somente plantas com sementes amarelas, mas entre as plantas com sementes verdes (3/4 do total) 1/4 produziram somente plantas com sementes verdes, mas 2/4 produziram a proporção 3 para 1 de sementes verdes e amarelas. Para explicar os resultados Mendel supôs que as plantas paternas com sementes verdes tinham um fator (hoje chamamos gene), para determinação desse fenótipo. Assim como as plantas paternas com sementes amarelas tinham um fator para o fenótipo sementes amarelas. As plantas F1 tinham o fator para sementes verdes, já que apresentavam esse fenótipo, mas deveriam ter também o fator para sementes amarelas, já que seus descendentes apresentavam esse fenótipo. Deduziu então que todas plantas deveriam ter dois fatores, já que as F1 tinham, e que as plantas puras tinham fatores iguais (homozigotas). Deduziu também que esses fatores não se misturavam pois em F2 apareceram plantas puras filhas de F1 que tinha os dois fatores. Pelo resultado do F2 deduziu que os fatores se separavam na gametogênese e se combinavam de novo, ao acaso, na fecundação. 3

4 Esquematicamente: Geração Paterna P 1 x P 2 AA x aa (sementes verdes) (sementes amarelas) Determinantes A a Geração F 1 100% sementes verdes Aa x Aa Determinantes A e a A e a 1/4 AA sementes verdes puras Geração F 2 1/2 Aa sementes verdes híbridas 1/4 aa sementes amarelas puras Como vimos anteriormente, Mendel apresentou os resultados de sete caracteres, todos com o mesmo padrão de herança. A análise conjunta de dois caracteres apresentou outro resultado importante que pode ser exemplificado usando o caráter cor das sementes, com fenótipos sementes verdes e sementes amarelas, e o caráter tipo de tegumento, com os fenótipos sementes lisa e rugosa. Nesses caracteres os fenótipos sementes verdes e sementes lisas são dominantes. Mendel cruzou plantas com sementes verdes e lisas puras com plantas com sementes amarelas e rugosas também puras. Na geração F1 obteve apenas plantas sementes verdes e lisas, as quais autofecundadas geraram uma geração F2 com 9/16 das plantas com fenótipo sementes verdes e lisas, 3/16 plantas sementes verdes e rugosas, 3/16 plantas sementes amarelas e lisas e 1/16 plantas sementes amarelas e rugosas. Com isso Mendel deduziu que as combinações entre fatores de diferentes pares eram independentes (ao acaso). Esquematicamente: Geração Fenótipo Proporção Genótipo Proporção P1 sementes verdes e lisas 100% AABB 100% P2 sementes amarelas e rugosas 100% aabb 100% F1 sementes verdes e lisas 100% AaBa 100% 4

5 AABB 1/16 F2 sementes verdes e lisas 9/16 AABb 2/16 AaBB 2/16 AaBb 4/16 sementes verdes e rugosas 3/16 Aabb 1/16 Aabb 2/16 sementes amarelas e lisas 3/16 aabb 1/16 aabb 2/16 sementes amarelas e rugosas 1/16 aabb 1/16 Por esse resultado Mendel postulou que: 1 a Lei de Mendel (1) A herança dos caracteres se dá por fatores não miscíveis, que ocorrem aos pares em qualquer indivíduo. (2) As duas formas contrastantes de um caráter são determinadas pelos dois componentes de um par de fatores. (3) Quando um indivíduo apresenta os dois fatores diferentes apenas um deles se manifesta, o qual chamado de "Dominante". (4) Os dois componentes de um par de fatores se separam na gametogênese, se combinando ao acaso na fecundação. 2 a Lei de Mendel (5) Qualquer componente de um par de fatores se combina independentemente (ao acaso) com qualquer componente de outro par. O trabalho de Mendel teve o mérito de pela primeira vez expor uma explicação razoável e com base experimental, para a herança de caracteres. Muitos pesquisadores repetiram a metodologia de Mendel para outros caracteres em outras espécies encontrando ora resultados semelhantes ora resultados conflitantes. Por isso os seus resultados demoraram a serem admitidos como gerais. A teoria da dominância, por exemplo, mostrou-se um caso particular e não geral como Mendel havia suposto. A sua 2 a Lei também não se mostrou geral, já que os genes ligados não segregam independentemente. Mesmo assim, suas descobertas deram o início a uma nova ciência, a Genética, da qual Mendel é considerado o pai. As continuidades dos estudos de genética, após os trabalhos de Mendel, se desenvolveram em diversas áreas. A necessidade de localizar os genes permitiu o surgimento da citogenética, que resultou de uma fusão de conhecimentos da citologia e da genética e permitiu a identificação dos cromossomos como portadores da informação genética. Um conhecimento mais aprofundado dos cromossomos e de 5

6 sua constituição permitiu o desenvolvimento da Genética Molecular, que têm permitido a uma grande compreensão dos mecanismos bioquímicos envolvidos na herança dos caracteres. A identificação de que a herança de uma forma geral não segue exatamente as leis de Mendel, ao invés de desmenti-las, simplesmente demonstrou que os processos são mais complexos que o observado com as características por ele estudadas. Por exemplo: genes localizados no mesmo cromossomo não apresentam segregação independente; a maioria das características não é determinada por apenas um gene e sim por diversos genes; além do efeito dos genes, os efeitos do ambiente também são determinantes em muitas características; alguns genes são influenciados (estimulados, inibidos, etc..) pelos produtos de outros genes. Além dos pontos acima citados, existe ainda o aspecto importantíssimo que os indivíduos vivem em populações e que os processos genéticos e evolutivos acontecem em função da estrutura destas populações. Como base para o Melhoramento Genético Vegetal, discutiremos nos próximos capítulos diversos aspectos básicos ligados a: Genética Molecular, Genética de Populações e Genética Quantitativa, conhecimentos que nos permitirão uma compreensão das técnicas e métodos utilizados para definição de programas de melhoramento e avaliação de genótipos a serem lançados como cultivares. 6

7 2. FUNDAMENTOS DE GENÉTICA MOLECULAR 2.1. ESTRUTURA DO DNA Logo após a redescoberta dos trabalhos de Mendel, em 1900, a principal pergunta que surgiu na comunidade científica era: onde estavam localizados, na célula, os fatores que determinavam os caracteres. Naquela época os avanços da microscopia vinham permitindo grandes avanços em citologia, e foram os citologistas que, ao observarem a estrutura dos ovócitos (com grande quantidade de citoplasma) e os espermatozóides (praticamente sem citoplasma), chegaram a conclusão que as estruturas responsáveis pela herança estavam no núcleo e não no citoplasma. Além disto, estudando o comportamento dos cromossomos na meiose, observaram uma correspondência muito grande entre estes e os fatores de Mendel, e concluíram, após alguns testes, que os genes estavam nos cromossomos Teoria Cromossômica da Herança. Estas conclusões permitiram uma compreensão de como os genes eram transmitidos de célula a célula durante o desenvolvimento do indivíduo (mitose), assim como esta transmissão acontecia de uma geração para outra (meiose, formação de gametas e fertilização). Estas descobertas estimularam um incremento nas pesquisas sobre a composição e a estrutura dos cromossomos, buscando uma maior compreensão sobre o que eram os genes, de que substâncias eram compostos, como se multiplicavam e como eram transmitidos. A composição dos genes foi um dos aspectos que gerou algumas polêmicas, pois a substância que constitui os genes precisa possuir três propriedades fundamentais para que os genes desempenhem seus papéis biológicos: 1º - Replicação a molécula portadora da informação genética precisa ter a capacidade de ser copiada em dois momentos do ciclo vital. O primeiro, na meiose, na produção das células responsáveis pela continuidade da espécie, que irão produzir a nova geração, os gametas (animais e vegetais). Em um segundo momento, na mitose, quando, a partir da primeira célula de um organismo, ocorrem diversas multiplicações durante o seu desenvolvimento. 2º - Produção da Forma informação necessária para a formação e o funcionamento do organismo. Toda a informação necessária para que as estruturas sejam produzidas e realizem suas funções a que se destinam deve estar contida nos genes. 3º - Serem Mutáveis a molécula hereditária é uma molécula passível de alteração (mutações), eventos que, mesmo ocorrendo raramente, é a base para a variação dentro e entre espécies, e a longo prazo o fator primário para determinar a evolução e possibilitar o melhoramento genético. Em um primeiro momento, foi observado que, dentro do núcleo da célula existiam principalmente três tipos de moléculas com características para serem as portadoras da informação genética (complexidade de estrutura), o DNA, o RNA e proteínas. Por apresentar uma grande instabilidade em 7

8 sua participação no conteúdo celular, e por não fazer parte da constituição dos cromossomos, o RNA foi logo descartado. Apenas em 1944 trabalhos com transformação de bactérias, publicados por Avery, MacLeod e McCarty, forneceram as evidências definitivas de que o material genético é o DNA. Antes mesmo da descoberta da estrutura do DNA por Watson & Crick em 1953, a composição do DNA já era conhecida. O DNA (Ácido desoxirribonucléico) é composto de apenas quatro diferentes moléculas básicas chamadas nucleotídeos. Cada nucleotídeo é composto por um fosfato, uma desoxirribose e uma de quatro bases nitrogenadas: Nucleotídeos Purínicos Adenina (A) NH 2 N 6 N Fosfato N 3 N O O Base Nitrogenada 5 (Adenina) O P O CH 2 O 4 1 H 3 H 3 2 OH H Desoxirribose Guanina (G) O H N N 8 NH Fosfato N 3 N O O Base Nitrogenada 5 (Guanina) O P O CH 2 O 4 1 H 3 H 3 2 OH H Desoxirribose Nucleotídeos Pirimídicos Timina (T) Fosfato O 4 H CH N Base Nitrogenada 6 2 (Timina) 1 O N Citosina (C) Fosfato NH N 6 2 O 1 N Base Nitrogenada (Citosina) O 5 O P O CH 2 O O 4 1 H 3 H 3 2 OH H Desoxirribose O 5 O P O CH 2 O O 4 1 H 3 H 3 2 OH H Desoxirribose A estrutura de dupla hélice definida por Watson & Crick foi fundamentada a partir de duas evidências: 1º - Trabalhos de Franklin & Wilkins com dados de raios X da estrutura do DNA sugeriam que o DNA era longo e fino, e que tinha duas partes similares que eram paralelas, uma a outra, ao longo da molécula. 8

9 2º - A quantidade total de nucleotídeos pirimídicos (T + C) é sempre igual a quantidade total de nucleotídeos purínicos (A + G), sendo T=A e C=G, e que A+T não é necessariamente igual a C+G. A estrutura em dupla hélice é constituída então de duas cadeias de nucleotídeos ligados entre si por ligações fosfodiester, em que um grupo fosfato, que está ligado ao Carbono 5 da desoxirribose se ligará ao grupo OH no Carbono 3 da desoxirribose adjacente. As duas hélices são mantidas juntas por pontes de hidrogênio entre as bases, como demonstrado no esquema abaixo, o que explica a especificidade A-T e C-G. 3 5 Nucleotídeo G A G T C C T C A G 5 3 Um outro aspecto importante é que as fitas de nucleotídeos possuem sentidos opostos, ou seja, elas são antiparalelas, sendo um filamento 5 3 e o outro 3 5. A estrutura tridimensional (helicoidal) é uma conseqüência da composição da molécula de DNA. Os cromossomos, como são visualizados durante as divisões celulares, estão em uma forma compactada. Tendo em vista que as moléculas de DNA são extremamente longas, por exemplo, o genoma humano, possui aproximadamente três bilhões de pares de bases, o que faz com que cada célula diplóide possua cerca de 2 metros de DNA compactados em 46 cromossomos, sendo cada cromossomo constituído por uma molécula de DNA e por diversas proteínas envolvidas na compactação. Em um primeiro nível de compactação, o DNA se enrola como um carretel em estruturas formadas por oito moléculas de proteínas denominadas histonas, formando os nucleossomos. Os nucleossomos, organizados em uma forma que se assemelha a contas de um colar, assumem uma forma helicoidizada denominada solenóide. Existem evidências de que a solenóide ainda sofre um outro processo de helicoidização a redor de uma estrutura protéica denominada arcabouço. 9

10 2.2. REPLICAÇÃO DO DNA Como já vimos, o DNA consiste de uma dupla hélice composta de duas fitas de desoxirribonucleotídeos que são antiparalelas e complementares. Para que ocorra duplicação, ou replicação, as duas fitas de DNA, que estão, unidas entre si por pontes de hidrogênio, deverão ser abertas, pois cada uma destas fitas servirá de molde para formar uma nova molécula de DNA. Assim, a partir de uma molécula original de DNA, serão formadas duas moléculas filhas, em que uma das fitas é recém sintetizada a partir da fita molde da molécula original. Esta forma de replicação é chamada de semiconservativa, como pode ser observado no esquema abaixo: Dupla fita fechada Molécula Original 3 5 A G C C A T T G A C T C G G T A A C T G 5 3 Moléculas Filhas Fita Molde A G C C A T T G A C Nova Fita T C G G T A A C T G Sentido da Replicação Sentido da Replicação A G C C A T T G A C Nova Fita T C G G T A A C T G Fita Molde O processo de replicação de DNA é bastante complexo, onde diversas enzimas e outros componentes participam. Descreveremos aqui apenas o processo básico. A replicação do DNA propriamente dita é catalisada pela enzima DNA polimerase. Embora já tenham sido identificadas diversas DNA polimerases (apenas em E. coli existem três), algumas com funções específicas, as atividades básicas desta enzima são: 1. atividade de polimerase, catalisa o crescimento da cadeia de DNA no sentido 5 3 ; 10

11 2. atividade de exonuclease 3 5, com o objetivo de remover bases pareadas erradas; 3. atividade de exonuclease 5 3, degradação da dupla hélice, usada principalmente na remoção dos primers de RNA. Aparentemente estas três atividades são realizadas por sítios ativos situados em partes diferentes da molécula. A replicação do DNA inicia com uma Origem de Replicação e então continua bidirecionalmente em uma Forquilha de replicação. f Forquilha de Replicação o r q u i Origem de Replicação l Em organismos procariotos replicação acontece a partir h de uma única origem de replicação. Em eucariotos o processo acontece a partir de diversas origens de a replicação por cromossomo. A DNA polimerase é uma enzima com capacidade de ampliar uma cadeia de DNA, mas é incapaz de iniciá-la, pois ela necessita de um grupamento 3 -OH d livre para atuar. Sendo assim, antes do início da síntese de DNA, é necessário que, na origem da e replicação, seja sintetizado um pequeno fragmento de RNA (RNA iniciador ou primer ), com aproximadamente 10 a 60 nucleotídeos, pela R enzima primase. A partir do primer então a nova cadeia de DNA será produzida pela DNA polimerase. e A DNA polimerase sintetiza novas cadeias apenas no sentido 5 3, movendo-se no sentido 3 p 5 do filamento molde. Como já foi comentado, o processo de replicação ocorre de forma bi-direcional l nas duas fitas da molécula de DNA, sendo assim enquanto uma das fitas é sintetizada de forma i contínua, a outra necessariamente será sintetizada de forma c descontínua como pode ser observado na figura abaixo: a ç ã o Primers Filamento Contínuo Origem de Replicação Fragmentos de Okazaki 11

12 A DNA polimerase sintetiza um novo fragmento até o início do fragmento anterior retirando inclusive o primer que lhe deu origem, graças a sua atividade exonuclease 5 3. A união dos diversos fragmentos de Okasaki, da fita descontínua, são então, unidos pela enzima ligase (única enzima capaz de unir duas cadeias de DNA). Ao final da replicação, um aspecto importante é que uma das extremidades do cromossomo, a da fita descontínua, ficará mais curta, pois o primer que foi ali adicionado não será substituído por DNA pela DNA polimerase, como os demais fragmentos. Para resolver este problema existe a enzima telomerase que adiciona seqüência simples repetidas às pontas do cromossomo, deixando-a completa TRANSCRIÇÃO DO DNA Como vimos anteriormente o DNA contém toda a informação necessária para o funcionamento e desenvolvimento do organismo. Mas que tipo de informação é esta? Esta informação do DNA tem como resultado a produção de proteína, sejam elas proteínas estruturais ou enzimas, todas as estruturas celulares são compostas por proteínas ou foram produzidas a partir de atuação proteínas. Mas para que a informação contida no DNA resulte em proteínas as regiões deste DNA, onde se encontram os genes, devem ser copiadas ou transcritas em moléculas unifilamentares de RNA (ácido ribonucléico). O RNA, apesar de também ser um ácido nucléico, possui algumas características peculiares que o tornam apto para ser a cópia funcional do DNA: RNA é unifilamentar, sendo assim o RNA pode possuir uma variedade de formas tridimensionais, algumas bastante complexas, como ribossomos e trna, que o permite realizar uma diversidade de atividade, principalmente na tradução. O RNA possui em sua composição a ribose em vez da desoxirribose. O RNA também é composto pelas bases nitrogenadas Adenina (A), Guanina (G) e Citosina (C), mas a Uracila (U) é encontrada no lugar da Timina. Existem algumas classes de RNA: RNAs Informacionais são os intermediários na decodificação de DNA e cadeias polipeptídicas (proteínas) mrna RNA mensageiro. Nos procariotos, o mrna é o transcrito primário, ou seja o produto direto da transcrição, em eucariotos o transcrito primário precisa passar por um processamento, ainda no núcleo, para ser o mrna, e então passar para o citoplasma onde será traduzido em proteína. RNAs funcionais nunca são traduzidos em polipeptídios, são RNAs que possuem funções específicas nas células: 12

13 trnas RNAs transportadores se ligam a aminoácidos específicos e os transportam ao complexo Ribossomo + mrna durante a tradução; rrnas RNAs ribossômicos combinam-se a diversas proteínas para formar os ribossomo, que são complexos moleculares encarregados de realizar a síntese de proteínas. Além destes existes ainda outros tipos de RNAs com funções ainda não bem esclarecidas que são encontrados tanto no núcleo como no citoplasma, os snrnas (RNAs pequenos nucleares) e os scrnas (RNAs pequenos citoplasmáticos). De uma forma similar a replicação, a transcrição também é uma reação de polimerização, baseada no pareamento complementar de bases nitrogenadas, tendo como fita molde o DNA. Consiste em um processo catalisado pela enzima denominada RNA polimerase, que se liga ao DNA e se desloca ao longo da fita molde adicionando a nova cadeia ribonucleotídeos. Assim ao desoxirribonucleotídeo citosina (C), alinha-se um ribonucleotídeo guanina (G), ao desoxirribonucleotídeo guanina (G), alinha-se um ribonucleotídeo citosina (C) e ao desoxirribonucleotídeo adenina (A) alinha-se um ribonucleotídeo uracila (U), pois o RNA não possui timina em sua composição. Também da mesma forma que na replicação a transcrição acontece no sentido 5 3. A transcrição, no entanto, acontece em apenas um dos filamentos da molécula de DNA, sendo por isto assimétrica. O mesmo filamento de DNA não é necessariamente transcrito ao longo de todo o cromossomo. A transcrição acontece basicamente em três estágios: Início para que se dê início à transcrição de um determinado gene, é necessário que a RNA polimerase, com o auxílio do fator (sigma), reconheça, na molécula de DNA, a região em que este gene está localizado. Estas regiões do DNA que precedem as seqüências que codificam os genes, regiões -35 e -10, e que são reconhecidas pela RNA polimerase são chamadas promotores. Ao reconhecer as seqüências promotoras na molécula de DNA, a RNA polimerase se liga a elas levemente, formando o complexo promotor fechado, quando então desenrola o DNA e se liga fortemente a molécula de DNA, libera o fator, formando o complexo promotor aberto, e começa a síntese de RNA. Alongamento como já foi dito, a síntese de RNA acontece sempre no sentido 5 3. Tendo como substrato os trifosfatos de nucleosídeos (NTP: ATP, GTP, CTP e UTP), que além de fornecerem os ribonucleosídeos vão também fornecer a energia necessária a reação, com a quebra do trifosfato de alta energia pela reação: NTP + (NMP) n DNA (NMP) n+1 + PP i Mg 2+ + RNA polimerase Durante todo o processo de alongamento, o complexo de transcrição aberto resulta em uma bolha de transcrição, que se desloca ao longo da dupla fita de DNA 13

14 G G T A A C T G G G T A A C T G G G T A A C T G G G T A A C T G Filamento molde do DNA RNA sendo Transcrito 5 T C C C A T T G A C 5 3 A G G G T A A C T G 3 Sentido da transcrição 5 T C G G T A A C T G Filamento não molde do DNA 3 Término A finalização da transcrição gênica se dá quando a RNA polimerase reconhece sinais para o término. Em geral estes sinais são seqüências de nucleotídeos que produzem alterações tridimensionais na molécula de RNA em formação que sinalizam para a liberação da RNA polimerase e conseqüentemente para o final da transcrição. Estes passos acima descritos correspondem ao processo de transcrição em procariotos, em eucariotos, o processo é basicamente o mesmo, porém, possui algumas diferenças que é importante que sejam salientadas: 1ª - Uma grande diferença se dá em decorrência do fato que em eucariotos o DNA está no núcleo, o RNA é então produzido no núcleo e precisa ser levado para o citoplasma, onde ocorre a síntese protéica. Em procariotos, como não possuem núcleo, a transcrição e a tradução ocorrem no mesmo local, podendo inclusive a tradução iniciar antes mesmo da molécula de RNA estar toda sintetizada. 2ª - Enquanto em procariotos existe só uma espécie de RNA polimerase, em eucariotos já foram reconhecidas pelo menos três, todas com estruturas mais complexas que a existente em procarioros: RNA polimerase I catalisa a síntese de rrna RNA polimerase II catalisa a síntese de mrna RNA polimerase III catalisa a síntese de trna, snrna e scrna. 3ª - Em eucariotos cada molécula de mrna sintetizada corresponde a uma cadeia polipeptídica, enquanto que em procariotos, uma molécula de mrna pode codificar várias proteínas. 4ª - Em eucariotos o transcrito primário de mrna será processado antes de ser transportado para o citoplasma. O processamento consiste basicamente em: Adição de um cap (7-metilguanosina) à extremidade 5 ; 14

15 Adição da cauda poli (A) (seqüência de adenosinas) à extremidade 3 ; Recomposição ( Splicing ) remoção das partes internas do transcrito. Os segmentos de DNA que codificam a estrutura da proteína são interrompidos por seqüências intercalares não codificadoras introns. A recomposição remove os introns e junta todas as regiões codificantes chamadas exons para formar o mrna 5ª - Recomposição alternativa em eucariotos pode acontecer a produção de mrnas diferentes e conseqüentemente proteínas diferentes a partir do mesmo transcrito primário. Isto acontece em diferentes tipos celulares ou em estágios diferentes do desenvolvimento TRADUÇÃO SÍNTESE DE PROTEÍNAS Antes de qualquer coisa vamos discutir como foi possível chegar ao Código Genético. Ou seja: Como a seqüência de nucleotídeos dita a seqüência de aminoácidos Sendo os nucleotídeos considerados letras, poderíamos considerar os aminoácidos palavras e assim, diferentes combinações de nucleotídeos resultariam no código para identificar diferentes aminoácidos. A primeira questão a ser respondida foi se o código genético era superposto ou não: aa3 aa2 Código superposto aa1 A U U G C U C A G aa1 aa2 aa3 Código não superposto Experimentos em que se provocavam mutações em que se trocava apenas um nucleotídeo por outro em um gene, observava-se alteração em apenas um aminoácido na cadeia polipeptídica resultante, sendo assim, ficou demonstrado que o código não é superposto, pois do contrário haveria um número maior de aminoácidos trocados. A questão seguinte foi a de quantas letras resultava em um código, ou seja, quantos nucleotídeos resultariam em um aminoácido. Sendo o RNA composto de quatro nucleotídeos diferentes e havendo 20 aminoácidos, o código deveria ser tal que as diferentes combinações de nucleotídeos fossem no mínimo 20. Então: 1 nucleotídeo 4 1 código para apenas quatro aminoácidos DESCARTADO 2 nucleotídeos 4 2 código para apenas 16 aminoácidos DESCARTADO 3 nucleotídeos 4 3 código para 64 aminoácidos ACEITO Este resultado conclui que existem códigos em excesso, mais tarde foi confirmado que para vários aminoácidos existem várias combinações de nucleotídeos O código genético é redundante. Além disto existe algumas seqüências que codificam para a finalização do processo de tradução. 15

16 O Código genético é o seguinte: P r i m e i r a L e t r a U C A G S e g u n d a L e t r a U C A G UUU Fen UCU UAU Tir UGU Cis U UUC UCC Ser UAC UGC C UUA Leu UCA UAA Fim UGA Fim A UUG UCG UAG Fim UGG Trp G CUU CCU CAU His CGU U CUC Leu CCC Pro CAC CGC Arg C CUA CCA CAA Gin CGA A CUG CCG CAG CGG G AUU ACU AAU Asn AGU Ser U AUC Ile ACC Tre AAC AGC C AUA ACA AAA Lis AGA Arg A AUG Met ACG AAG AGG G GUU GCU GAU Asp GGU U GUC Val GCC Ala GAC GGC Gli C GUA GCA GAA Glu GGA A GUG GCG GAG GGG G T e r c e i r a L e t r a Deve-se observar que: Cada uma das 64 combinações de nucleotídeos tem sentido; Pelo menos alguns aminoácidos são codificados por dois ou mais trincas de nucleotídeos; os trnas possuem um anticódon que reconhece o códon do mrna; Cada molécula de trna tem uma forma tridimensional única que permite o reconhecimento da sintetase correta, que será a enzima que catalisará a união do rrna ao aminoácido correto formando o complexo denominado amoniacil-trna (trna carregado). Alguns aminoácidos possuem apenas um trna correspondente, enquanto que para outros, existem vários trnas alternativos. Além disto alguns trnas podem levar seus aminoácidos em resposta a vários códons com pareamento frouxo em uma das extremidades Códon oscilante; Os trnas e rrnas são produtos finais de genes específicos. Síntese de Proteínas A maior parte das reações da síntese de proteínas acontecem nos ribossomos que são estruturas constituídas de duas subunidades, uma maior, composta de duas moléculas de rrna e proteínas (denominadas L1, L2, etc...), e uma subunidade menor, composta de uma molécula de rrna e proteínas (denominadas S1, S2, etc...). Os ribossomos possuem sítios específicos para se ligarem ao 16

17 mrna e aos trnas e ainda a fatores protéicos específicos. Quando não estão realizando a síntese protéica, as subunidades do ribossomo ficam dissociadas na solução citoplasmática. 50 S + 30 S 70 S A síntese de proteínas é o resultado de uma série de reações químicas, ou seja: 1ª reação acontece no citosol, ligação dos aminoácidos às moléculas específicas de trna por uma ligação de alta energia. Reação catalisada por uma enzima específica para cada aminoácido sintetase. Então: aa 1 + trna 1 + ATP Sintetase aa 1 -trna 1 + AMP + PP i trna 1 carregado 2ª reação e as seguintes acontece no ribossomo. União de um aminoácido a outro, a energia é proveniente da ligação de alta energia do trna carregado, a reação é catalisada pela peptidil transferase: aa 1 -trna 1 + aa 2 -trna 2 Peptidil transferase aa 1 -aa 2 -trna 2 + trna 1 (liberado) Este processo de adição de aminoácidos continua até que o aminoácido final é adicionado. O processo de síntese de proteínas pode ser dividido em três etapas: Iniciação nesta fase, que conta com a participação de fatores de iniciação e GTP, como fornecedor de energia, o mrna se liga a subunidade menor do ribossomo, logo após ocorre a ligação do trna iniciador (fmet-trna na maioria dos procariotos) no sítio P do ribossomo (sítio em que se liga o peptidil-trna levando a cadeia em formação) e a seguir ocorre a montagem das duas unidades do ribossomo deixando-o em condições de passar para a fase de alongamento. 17

18 Alongamento nesta fase os seguintes passos: complexos de aminoacil-trna, com a participação de fatores de alongamento e GTP, se ligam ao sítio A do ribossomo, ocorre a reação, mediada pela peptidil transferase, em que a cadeia polipeptídica do peptidil-trna, que está no sítio P, se liga ao aminoácido do aminoacil-trna que está no sítio A; ribossomo se move em códon, libverando o trna descarregado do sítio P e transferindo o peptidil-trna recém formado do sítio A para o sítio P; este processo de alongamento se repete o número de vezes necessárias para completar a cadeia polipeptídica em formação. Término o processo de síntese protéica é finalizado quando no sítio A apresenta um dos códons de término (Fim). Estes codons são identificados por fatores de liberação que se ligam ao sítio A. O polipeptídeo formado é então liberado do sítio P e os ribossomos se dissociam em duas subunidades. O conjunto de genes que codificam para proteínas em um organismo é chamado Proteoma, diversos trabalhos têm sido realizados como o objetivo de identificar, diferentes organismos, o número de genes que codificam proteínas, assim como a divisão de trabalho dentro do proteoma, objetivando compreender que tipos de genes são necessários para que um organismo funcione. 18

19 3. GENÉTICA DE POPULAÇÕES Os indivíduos não se encontram isolados na natureza, mas reunidos em populações, reprodutivamente ativas. Ao estudar a genética experimental, nós retiramos os indivíduos das suas populações naturais, e o submetemos a cruzamentos escolhidos, para observar, pela descendência, os diversos fenômenos envolvidos na herança. Mendel, por exemplo, concluiu com sucesso seus experimentos cruzando artificialmente plantas de ervilha, obtendo gerações F1 e F2. Em muitos casos não é possível estudar a genética por meio de cruzamentos artificiais. Muitas vezes é interessante estudar os indivíduos em seu estado natural, por exemplo, nos estudos de genética ecológica. Em certos casos a reprodução artificial é muito difícil, como em muitas espécies selvagens. Ou ainda pode haver dificuldades de ordem ética para os cruzamentos, como na espécie humana. Nestes casos o estudo da herança deve ser feito na população em seu estado natural. O estudo do comportamento dos genes nas populações pode ainda fornecer uma base teórica para os trabalhos de melhoramento vegetal e animal DEFINIÇÃO DE POPULAÇÃO Uma população, do ponto de vista da genética, pode ser definida como um grupo de indivíduos da mesma espécie, que ocupam uma mesma área ao mesmo tempo, e que são potencialmente intercruzáveis FREQÜÊNCIAS GÊNICAS E GENOTÍPICAS Uma população pode ser caracterizada, para determinado loco (forma aportuguesada de locus, plural locos), pelas freqüências com que cada genótipo aparece. Por exemplo: População 1 População 2 Genótipo Nº de Indivíduos Freqüências Genotípicas Genótipo Nº de Indivíduos Freqüências Genotípicas AA 100 D 100/400=0,25 AA 200 D 200/500=0,40 Aa 200 H 200/400=0,50 Aa 200 H 200/500=0,40 aa 100 R 100/400=0,25 aa 100 R 100/500=0,20 Total Total Note que a soma das freqüências é sempre igual a 1 (isto ocorre com qualquer distribuição de freqüências relativas, já que a soma de todas as partes é sempre igual ao todo), então sempre D + H + R = 1 19

20 A partir das freqüências genotípicas pode-se facilmente chegar às freqüências gênicas, basta para isso observar que o genótipo AA tem 100% de genes A, o genótipo Aa tem 50% de genes A e 50% de genes a e o genótipo aa tem 100% de genes a. Assim a freqüência de A, que chamaremos de p, será igual a freqüência dos homozigotos AA mais metade da freqüência dos heterozigotos, ou seja, f(a)= p = D + (1/2) H (I) assim como a freqüência de a, que chamaremos q, será: f(a)=q = R + (1/2) H. (II) Note mais uma vez que p+q=1. Nos exemplos acima temos: População 1 p = 0,25 + (1/2) 0,50 = 0,50 População 2 p = 0,40 + (1/2) 0,40 = 0,60 q = 0,25 + (1/2) 0,50 = 0,50 q = 0,20 + (1/2) 0,40 = 0,40 A freqüência genotípica caracteriza uma população, mas a freqüência gênica não, já que para uma distribuição de freqüências gênicas, infinitas distribuições de freqüência genotípicas são possíveis. Por exemplo, se afirmarmos que certa população tem freqüências gênicas: p = 0,4 para o alelo A e q = 0,6 para o alelo a não podemos fazer nenhuma afirmativa sobre as freqüências genotípicas. Estas podem ser D=0,4, H=0,0 e R=0,6, ou D=0,3, H=0,2 e R=0,5, ou outra qualquer. Para podermos fazer qualquer afirmativa a respeito das freqüências genotípicas é necessário um conhecimento da forma como os genes se combinam na população. Cada gameta contém um único gene de cada loco, assim, as formas como os genes se combinam para formar os genótipos da nova geração é determinada pela forma como os gametas se combinam para formar os novos indivíduos de população. É então necessário estudar os padrões reprodutivos das populações PADRÕES REPRODUTIVOS DAS POPULAÇÕES Panmixia - é o sistema reprodutivo onde todos os indivíduos de uma população têm a mesma chance de se acasalarem entre si. Isto é, a reprodução é totalmente ao acaso. É difícil imaginar algum tipo de população que seja estritamente panmítica. Veja por exemplo, se a população é de espécie dióica, não haverá cruzamentos entre indivíduos do mesmo sexo. Se forem monóicos, poderão ocorrer cruzamentos mais freqüentes entre indivíduos com certas características especiais, como os que floresçam na mesma época, etc. No entanto, como esta população tem características especiais, e muitas populações estão em condições próximas à panmixia, iremos dar atenção especial a ela e a usaremos como modelo para nosso estudo. 20

21 Endogamia - é o cruzamento entre indivíduos com grau de parentesco maior do que o de dois indivíduos tomados ao acaso na população. Como indivíduos aparentados têm uma chance maior de terem os mesmos genes alelos, teremos um aumento da homozigoze em decorrência desse processo. Exogamia - é o oposto à endogamia, isto é, o cruzamento de indivíduos com parentesco menor que dois indivíduos tomados ao acaso na população, e leva a um aumento na freqüência de heterozigotos. Além desses sistemas podemos ter sistemas de acasalamentos próprios para certas populações, como por exemplo, a autofecundação obrigatória em certas plantas (chamadas autógamas), ou sistemas em que a autofecundação e o cruzamento ocorrem com certas proporções (parcialmente autógamas) ou ainda fecundações recíprocas em animais hermafroditas, etc. O sistema de acasalamento é extremamente importante nas populações, pois determina as combinações de gametas que poderão ocorrer e assim os genótipos na geração seguinte FREQÜÊNCIAS GÊNICAS E GENOTÍPICAS NA POPULAÇÃO PANMÍTICA. As freqüências gênicas nos gametas produzidos em uma população serão iguais às freqüências gênicas na população. De fato, no processo de meiose, cada indivíduo produz seus gametas de acordo com os genes que tem, um homozigoto AA produzirá 100% de gametas A, um heterozigoto (Aa) produzirá 50% de gametas A e 50% de gametas a e um homozigoto aa produzirá somente gametas a. Teremos então p gametas A e q gametas a produzidos pelos machos e o mesmo pelas fêmeas, supondo iguais proporções entre os sexos. Como panmixia indica reprodução aleatória, a combinação dos gametas também o será, assim: gametas femininos gametas masculinos p A q a p A p 2 AA pq Aa q a pq Aa q 2 aa Notamos então que, qualquer que sejam as freqüência genotípicas iniciais, em uma geração de panmixia, elas passam a ser p 2, 2pq e q 2, para os genótipos AA, Aa e aa, respectivamente, e esses valores dependem apenas das freqüência gênicas na geração paterna. Aplicando as fórmulas I e II às novas freqüências genotípicas teremos: p 1 =D 1 +(1/2) H 1 ou p 1 = p 2 + pq sendo q=1-p então: p 1 = p 2 + p(1-p) = p 2 + p - p 2 = p, e q 1 = q 2 + pq =q Ou seja uma população panmítica não altera suas freqüências gênicas de uma geração para outra. Se o sistema de acasalamento continuar panmítico as freqüência genotípicas e gênicas não irão se alterar geração após geração. Desta forma se diz que a população está em equilíbrio ou Equilíbrio de Hardy-Weinberg. 21

22 Teorema de Hardy-Weinberg: Em uma população suficientemente grande para que não ocorra oscilação genética, onde os acasalamentos ocorram ao acaso (Panmixia), sendo todos os indivíduos igualmente férteis e viáveis e onde não ocorra seleção, mutação ou migração, as freqüências genotípicas e genéticas permanecerão constantes ao longo das gerações Isto poderia ser observado, de forma mais trabalhosa usando as freqüências dos genótipos. No quadro abaixo temos todos os acasalamentos possíveis em uma população panmítica, com suas freqüências respectivas, e os descendentes gerados. Confirma-se observando os resultados que uma população panmítica não altera suas freqüências gênicas e genotípicas de uma geração para outra e que estas permanecem nas proporções p 2, 2pq e q 2, sendo p e q as freqüências gênicas. Machos Fêmeas Freqüência do cruzamento Descendência AA AA p 4 AA Aa 2p 3 q 0,5 AA e 0,5 Aa aa p 2 q 2 Aa Aa AA 2p 3 q 0,5 AA e 0,5Aa Aa 4p 2 q 2 0,25 AA, 0,5 Aa e 0,25 aa aa 2 pq 3 0,5 Aa e 0,5 aa aa AA p 2 q 2 Aa Aa 2pq 3 0,5 Aa e 0,5 aa aa q 4 aa Totais dos descendentes f(aa)= p 4 + 2p 3 q + p 2 q 2 = p 2 (p 2 + 2pq + q 2 ) = p 2 f(aa)= 2p 3 q + 4p 2 q 2 + 2pq 3 = 2pq (p 2 + 2pq + q 2 ) = 2pq f(aa)= p 2 q 2 + 2pq 3 + q 4 = q 2 (p 2 + 2pq + q 2 ) = q FREQÜÊNCIAS GÊNICAS E GENOTÍPICAS EM POPULAÇÕES ENDÓGAMAS Como vimos, a endogamia é o cruzamento entre indivíduos com grau de parentesco maior do que o de dois indivíduos tomados ao acaso na população. Este tipo de acasalamento irá afetar as freqüências genotípicas na população porque indivíduos formados dessa maneira terão maior chance de terem genes semelhantes nos seus locos e, portanto, serem homozigotos. O acasalamento que promove maior grau de endogamia é a autofecundação, pois oferecerá a maior chance de gametas com genes semelhantes se unirem na fecundação, por isso iremos usar este tipo de acasalamento para demonstrar os efeitos da endogamia sobre as freqüências genotípicas. 22

23 Vamos imaginar uma população inicialmente panmítica, com freqüências p e q para os alelos A e a. Então os genótipos devem estar nas freqüências: Descendência Genótipos Freqüência AA Aa aa AA p 2 p 2 Aa 2pq (1/2)pq pq (1/2)pq aa q 2 q 2 Freq. na descendência (1/2)(p 2 +p) pq (1/2)(q 2 +q) Se em certa geração a reprodução for toda por autofecundação, a geração seguinte terá uma diminuição da freqüência dos heterozigotos e um aumento da freqüência dos homozigotos em valor igual. Notamos que neste caso a freqüência dos heterozigotos diminuiu numa proporção igual a 1/2. Esta proporção de diminuição na freqüência dos heterozigotos é chamada de coeficiente de endogamia e é simbolizado pela letra F. O cálculo desse coeficiente em situações práticas será examinado em um outro capítulo. Pode ser demonstrado que, uma população que tenha um coeficiente de endogamia F a freqüência dos genótipos estará em equilíbrio nas proporções: Genótipos Freqüência AA p 2 + pqf = p 2 (1-F)+ pf Aa 2pq(1-F) = 2pq(1-F) aa q 2 + pqf = q 2 (1-F)+ qf O coeficiente de endogamia F varia de 0 a 1. Pode-se ver então que quando o F = 0 população é panmítica. Quando o F=1 a população é autógama completa, e será constituída somente de homozigotos. Quanto maior o valor de F maior a proporção de homozigotos na população FREQÜÊNCIAS GÊNICAS E GENOTÍPICAS EM POPULAÇÕES EXÓGAMAS A exogamia é uma tendência geral na natureza, principalmente entre os animais. pode-se observar em muitas espécies de plantas e de animais mecanismos e comportamentos que protegem a população da endogamia, promovendo a exogamia. Em populações muito grandes a exogamia não difere praticamente da panmixia. De fato, se a população é muito grande, composta de muitas famílias, e as famílias não são grandes a probabilidade de dois indivíduos da mesma família se acasalar por acaso (portanto sob panmixia) é muito reduzida. Assim, em populações grandes comportamentos exogâmicos não alteram muito a população. No entanto em populações pequenas, com poucas 23

24 famílias, onde o tamanho da família é grande em relação ao da população, a exogamia exerce um papel muito importante na prevenção da endogamia. Em uma população, com N indivíduos, podem-se ter C 2 N acasalamentos, se cada família tiver n indivíduos a probabilidade de acasalamento dentro de cada família será C 2 n. A probabilidade de 2 acasalamentos endogâmicos será P= f C n / C 2 N em que f é o número de famílias, ou seja: P = (n-1)/(n-1). Logo essa probabilidade será maior em populações menores Suponhamos uma situação simplificada onde uma população é composta por n famílias, todas com o mesmo tamanho, e que não haja possibilidade de acasalamentos dentro das famílias. Cada família tem sua própria freqüência gênica, digamos p 1, p 2,...p n, de modo que a freqüência na população é a média p i /n. Ao acasalar com todos os indivíduos das outras famílias, uma família produziria uma proporção de homozigotos AA igual a p j ( p i - p j )/(n -1). Fazendo a média para todas as famílias teremos: D=(1/n) [p 1 ( p i - p 1 )/(n -1)+ p 2 ( p i - p 2 )/(n -1)+...+ p n ( p i - p n )/(n -1)] D= p 2 - [1/n] S 2 p. Se p i for constante D= p 2 simplesmente. Há então uma diminuição da homozigose que é proporcional à variância da freqüência gênica nas famílias e inversamente proporcional ao número de famílias. Outra forma de escrever é D=[n/(n-1)] p 2 - p 2 i / [n(n-1)] vê-se que se o número de famílias for grande, de modo que a divisão [n/(n-1)] 1 e o segundo termo seja insignificante, a exogamia não causará diferença em relação à panmixia FATORES QUE ALTERAM AS FREQÜÊNCIAS GÊNICAS DAS POPULAÇÕES Como vimos, as populações panmíticas não alteram suas freqüências gênicas e genotípicas ao longo das gerações. Dessa forma nenhuma alteração poderia acontecer e não haveria obviamente evolução ou melhoramento. No entanto existem processos naturais que alteram as freqüências gênicas das populações promovendo as mudanças necessárias a constante adaptação das populações ao meio, sempre em alteração. Esses fatores são: a mutação gênica, a oscilação genética, a migração genética, a seleção natural e os acasalamentos preferenciais. São esses os fatores essenciais à evolução, sem os quais a variação existente seria estatística. Veremos a seguir cada um destes fatores Mutação Gênica Os genes são formados por cadeias de moléculas especiais chamadas DNA (ácido desoxirribonucléico). Essas cadeias são longas seqüências pareadas de bases aminadas. Existem dois tipos de bases aminadas: purinas (Adenina e Guanina) e pirimidinas (Timina e Citosina) que se pareiam de forma específica, formando pela sua seqüência um código que determina o 24

25 aminoácido que deverá ser alocado em cada posição na proteína codificada pelo gene. Qualquer mudança nesta seqüência de bases causará uma mudança na proteína codificada, podendo então alterar sua função no organismo. Diversos fatores podem determinar a alteração da seqüência de DNA. Um erro na replicação do mesmo, no momento da sua duplicação, no processo de reprodução celular (mitose ou meiose), por exemplo. Existem também radiações capazes de atingir o DNA, causando quebras em sua estrutura e que redundam em mutações, como raios X, raios gama, etc, além de substâncias químicas capazes de reagir com o DNA e causar essas alterações. Os genes existentes e que exercem funções no organismo se mantiveram na população por que mostraram sua utilidade no longo período evolutivo da espécie. As mutações são alterações químicas que podem atingir qualquer parte do DNA indiferentemente, e, portanto causam mudanças completamente aleatórias. É extremamente improvável que uma mutação venha a trazer vantagem imediata ao organismo que a sofreu, ela será na maioria dos casos prejudicial. No entanto, o acúmulo de muitas mutações em uma população é benéfico em longo prazo, pois algumas delas poderão ser úteis em outras situações futuras, ajudando a população a fazer frente a novos ambientes. As mutações ocorrem continuamente em todas as populações, em baixíssima freqüência. Para que haja acúmulo de mutações é necessário que elas não sejam eliminadas no processo evolutivo. Como isso ocorre iremos discutir mais adiante. Para quantificarmos o efeito das mutações sobre as freqüências gênicas vamos supor que a taxa de mutação do gene A 1 para A 2 seja u e que a taxa de mutação do gene A 2 para A 1 seja v e que as freqüências originais sejam p o e q o, para os alelos A 1 e A 2, então: p 1 = p o - up o + vq o q 1 = q o + up o - vq o Se up o > vq o a freqüência de A 1 diminui. Se up o < vq o a freqüência de A 2 diminui. Obviamente estes valores tenderão a um equilíbrio quando vq e = up e e consequentemente p e = v/(u+v) e q e = u/(u+v) Migração Genética Por migração genética se entende a saída ou entrada de indivíduos de uma população. Como estudaremos o processo independente da seleção, está excluída qualquer escolha de indivíduos no processo. Portanto a saída de indivíduos não causará qualquer impacto na população, já que estes serão tirados ao acaso. Já a entrada de indivíduos na população causará alteração nas freqüências, pois as freqüências gênicas nos imigrantes serão as da população de origem. Para que haja imigração é necessário que os imigrantes se integrem à nova população. Isso só se dará se eles passarem a se reproduzir normalmente na nova população. A imigração muitas vezes 25

26 requer uma mudança de ambiente. Por isso os indivíduos imigrantes devem ter a capacidade de sobreviver no novo ambiente. Esta característica é conhecida como capacidade de dispersão. Os imigrantes têm também que se reproduzir com os indivíduos da nova população, então nenhuma barreira reprodutiva pode existir entre eles. Barreiras reprodutivas são mecanismos que podem impedir ou dificultar a reprodução, tal como diferenças na época de florescimento. Podem ser pré-zigóticas, como diferentes condições ecológicas ótimas para os indivíduos das duas populações envolvidas, incompatibilidade reprodutiva entre os indivíduos das populações, diferentes agentes polinizadores, ou pós-zigóticas, como inviabilidade do híbrido, esterilidade do híbrido, inviabilidade do F2, etc. Supondo duas populações: População original "O", onde p o = n o /T o, e outra população "I", onde p i = n i /T i, sendo n o o número de genes A na população "O", n i o número de genes A na população "I", T o o total de genes deste loco na população "O" e T i o total de genes deste loco na população "I". Com a junção das duas populações temos p 1 = (n o + n i )/(T o + T i ). Mas n o = p o T o e n i = p i T i. Assim, p 1 = (p o T o + p i T i )/(T i +T o ). Se chamarmos de m a proporção de imigrantes na população resultante, m = T i /(T i + T o ); Então : p 1 = p o (1-m) + p i m i ou p 1 = p o + m (p i - p o ) Então a freqüência gênica na população resultante na migração natural é a média ponderada das freqüências gênicas das populações que se uniram. Como não houve alteração da estrutura reprodutiva, se a população era originalmente panmítica, ela continuará mantendo as proporções típicas dessas populações, mas com as novas freqüências, isto é, p 2 1, 2p 1 q 1, q 2 1. No melhoramento vegetal a população formada pela junção de duas ou mais populações é chamada de composto. A freqüência gênica em um composto será então a média ponderada das freqüências gênicas das populações que o compõe. O peso será o número de indivíduos de cada população. Um composto recém formado não é uma população em equilíbrio. Teoricamente entraria em equilíbrio na primeira geração de reprodução panmítica, mas na prática o equilíbrio só vai ocorrer após algumas gerações. Uma outra forma pela qual os genes de uma população podem ser introduzidos em outra é pelo cruzamento de indivíduos de uma população com indivíduos de outra. Neste caso o número de indivíduos de cada grupo deixa de ser importante, pois na geração descendente cada indivíduo será fruto da junção de um gameta proveniente de uma população com um gameta proveniente da outra. Assim, a proporção de genes das duas populações será a mesma e a nova freqüência gênica será a média aritmética simples das freqüências nas populações originais. A população resultante desta hibridação não manterá as proporções p 2 1, 2p 1 q 1 e q 2, já que não é proveniente de reprodução panmítica, e deverá ter mais heterozigotos que o esperado segundo essas proporções, como mostrado no diagrama abaixo. 26