Aspectos Modernos da Genética e Fatores Mendelianos

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 31 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr CROMOSSOMOS GENES DNA UMA VISÃO ATUAL DOS FATORES MENDELI ANOS 1 A interpretação atual dos fatores propostos por Mendel Nas aulas anteriores conhecemos o trabalho de Mendel e tivemos oportuni dade de observar a elegância com que ele formulou hipóteses para explicar a trans missão da herança biológica em meados do século XIX Para Mendel as plantas possuíam fatores determinantes de suas característi cas hereditárias que eram transmitidos de uma geração a outra por meio dos gametas Embora Mendel tenha proposto a existência desses fatores ele não tinha nenhuma ideia da sua natureza física e muito menos de como esses fatores eram capazes de determinar o fenótipo Você deve lembrar também que logo no início do século XX comparando o comportamento dos cromossomos durante a meiose com as leis da segregação e da associação independente 1ª e 2ª leis de Mendel Sutton propôs que os fatores here ditários deveriam estar nos cromossomos Essa ideia não foi logo aceita por toda a comunidade científica só após muitos estudos e um grande acúmulo de evidências por volta de 1920 foi definitivamente aceita a ideia de que os fatores estavam nos cromossomos Em meados da década de 1940 chegouse à conclusão de que o DNA era o material hereditário e que de alguma forma controlava a síntese de proteínas Em 1953 foi proposto o modelo que explica a estrutura do DNA e no início da década de 1960 o código genético foi decifrado A partir daí inúmeros estudos sobre a organização e funcionamento dos genes vêm sendo desenvolvidos Atualmente chamamos os fatores hereditários sugeridos por Mendel de genes e conhecemos sua natureza Cada gene unidade física e funcional da hereditarie dade é um segmento de uma molécula de DNA ácido desoxirribonucléico que con tém as informações necessárias para a produção de um RNA ácido ribonucléico ou de uma proteína A Figura 1 apresenta o modelo da estrutura do DNA mais aceito atualmente CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 32 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr FIGURA 1 Estrutura da molécula de DNA a molécula de DNA é constituída por dois longos fi lamentos cadeias enrolados um sobre o outro formando uma estrutura he licoidal duplahélice Cada uma das cadeias do DNA constituise de milhares de nu cleotídeos ligados em sequência As duas cadeias de desoxirribonucleotídeos que formam a molécula de DNA se mantêm unidas por meio de ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas Essas ligações ocorrem entre pares de bases específi cas adenina A ligase à timina T e citosina C ligase à guanina G a Represen tação plana da molécula mostrando as pontes de hidrogênio entre as bases nitroge nadas A letra S representa o açúcar desoxirribose que se liga a cada uma das bases nitrogenadas formando o esqueleto da molécula de DNA b Representação da es trutura em duplahélice da molécula de DNA 2 A organização do material genético Então qual a relação entre os genes as moléculas de DNA e os cromos somos Diversos genes se distribuem ao longo das moléculas de DNA que constituem o genoma de um organismo As moléculas de DNA são em geral bastante longas podendo atingir vários centímetros de comprimento CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 33 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr Surpreendentemente os genes correspondam a uma quantidade relativamente pequena da molécula do DNA A maior parte do DNA nunca é transcrita em RNA e não contém informação para a produção de proteína Na espécie humana por exem plo calculase que apenas cerca de 2 do DNA correspondam aos genes Os 98 restantes são sequências de nucleotídeos que não produzem RNA e cuja função atua na regulação gênica e na manutenção do genoma humano consti tuindo o DNA nãocodificante No entanto sabese que muito do DNA nãocodificante desempenha funções importantíssimas na estrutura funcionamento e evolução do genoma O centrômero por exemplo é formado por uma região de DNA nãocodificante sendo fundamental na distribuição correta dos cromossomos pelas célulasfilhas durante as divisões ce lulares Como você já viu um gene corresponde a um segmento da molécula de DNA que é transcrito em um RNA mensageiro mRNA que por sua vez é traduzido em uma proteína com função específica para o organismo FIGURA 2a Nos eucariontes a estrutura de um gene é formada por dois tipos distintos de regiões FIGURA 2b os éxons sequências codificantes que contêm a informação para a produção da proteína e os íntrons sequências nãocodificantes que se inse rem entre os éxons e precisam ser retiradas antes da tradução por meio de um me canismo chamado processamento do mRNA Quanto aos procariontes a grande maioria não possui íntrons em seus genes Os processos de transcrição tradução e processamento do mRNA são abordados com mais detalhes no módulo de Biologia Molecular CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 34 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr Figura 2 Esquema simplificado de um segmento da molécula de DNA que contém 3 genes a estrutura de um gene b Cada molécula de DNA está associada a uma série de proteínas formando o que chamamos de cromossomos Essa mistura de DNA e proteínas que compõe os cromossomos recebe o nome de cromatina A cromatina pode assumir diferentes ní veis de compactação dependendo da região do cromossomo e da fase do ciclo celu lar Estudos in vitro utilizando diferentes concentrações de sais no tratamento da cromatina permitiram a construção de um modelo para a compactação do DNA FI GURA 3 Esse modelo inclui quatro níveis progressivos 1 A formação dos nucleossomos pela associação do DNA a proteínas especiais cha madas histonas cada nucleossomo é formado quando o DNA passa duas vezes por volta de um complexo de histonas sendo esse complexo um octâmero composto por duas moléculas de cada tipo H2A H2B H3 H4 2 O enovelamento das cadeias de nucleossomos formando uma estrutura conhecida como solenoide os nucleossomos enovelamse formando o solenoide que é estabi lizado por um outro tipo de histona H1 3 A formação de alças a partir do solenoide que se ligam a um arcabouço de proteínas nãohistonas CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 35 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr 4 A superhelicoidização do arcabouço proteico ao qual as alças do solenoide se as sociaram a superhelicoidização pode ser mais ou menos relaxada dependendo de se o cromossomo está em interfase ou em divisão celular Durante a divisão celular a superhelicoidização é intensificada até que o cromossomo assuma o aspecto de um bastão compacto FIGURA 3 Compactação da molécula de DNA CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 36 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr 3 O material genético na interfase Durante a interfase das células de organismos eucariotos os cromossomos se apresentam como longos fios formando uma massa onde não se consegue identificar cada cromossomo individualmente Foi essa massa de fios finíssimos que originou o termo cromatina do grego chromatos cor criado em meados do século XIX quando os citologistas descobriram que certos corantes de tecidos tingiam os núcleos das células Como vimos em algumas regiões os filamentos cromossômicos estão dobra dos de forma mais compacta Essas regiões têm um aspecto mais denso ao serem observadas ao microscópio sendo denominadas heterocromatina hetero diferente A heterocromatina contrasta com regiões onde os filamentos estão menos con densados denominadas eucromatina eu verdadeiro O termo heterocromatina se refere a regiões do cromossomo que se mantêm condensadas durante a maior parte do ciclo celular Geralmente são regiões que pos suem maior afinidade pela maioria dos corantes celulares tornandose mais escuras daí o nome heterocromatina Aparentemente essas regiões apresentam as mesmas propriedades em todos os animais e vegetais possuem grande quantidade de DNA repetitivo quase não sofrem recombinação possuem pequena quantidade de genes sua replicação ocorre mais tarde durante o ciclo celular se comparada com a região eucromática A heterocromatina pode ser dividida em constitutiva e facultativa A he terocromatina facultativa difere da constitutiva pela capacidade de eventualmente assumir uma estrutura similar à da eucromatina Ainda na interfase as células que entrarão em divisão duplicam seu material genético A duplicação dos cromossomos ocorre no período S da interfase e corres ponde à replicação das moléculas de DNA que formam esses cromossomos Figura 4 Sabemos que a replicação de uma molécula de DNA dá origem a duas moléculas idênticas exceto no caso de haver algum erro durante a replicação Logo cada cro mossomo duplicado fica constituído de dois fios idênticos unidos pela região do cen CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 37 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr trômero Cada um dos fios é uma cromátide Assim depois da duplicação cada cro mossomo fica constituído por duas moléculas de DNA idênticas as cromátidesirmãs unidas pela região do centrômero Figura 4 Replicação do DNA e cromossomos a O modelo mostra que a duplicação do DNA é semiconservativa produzindo duas moléculas idênticas à molécula de DNA original b Modelo apresentando a relação entre a replicação do DNA e a duplicação do cromossomo Após a duplicação as cromátidesirmãs permanecem unidas pelos centrômeros até que se complete o processo de divisão celular o sombreado marca a região centromérica CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 38 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr 4 O material genético durante as divisões celulares Quando a célula entra em processo de divisão cada filamento que compõe o cromossomo cromátide enrolase sobre si mesmo tornandose progressivamente mais curto e grosso até assumir o aspecto de um bastão compacto Cada cromátide condensase independentemente de sua irmã de modo que na célula em divisão podese visualizar cada cromossomo constituído por dois bastões unidos pelos cen trômeros Em geral ao falarmos de cromossomos essa é a imagem que temos em mente Mas é bom frisar que os fios que constituem a cromatina são os cromossomos que na interfase não estando em seu grau máximo de compactação não podem ser visualizados como estruturas individuais Na Figura 5 temos um cromossomo com o aspecto que apresenta durante a interfase e outro durante a metáfase A diferença é que na metáfase os cromossomos estão em seu grau máximo de compactação o que permite sua visualização como corpos independentes Além disso como estão na metáfase da mitose os cromosso mos já se encontram duplicados apresentando duas cromátides Figura 5 Fotomicroscopia eletrônica do cromossomo na interfase a e durante a metáfase da mitose b CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 39 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr 5 Centrômeros e Telômeros Todo cromossomo possui um estrangulamento denominado centrômero ou constrição primária Este consiste de uma região do DNA responsável pela segrega ção do cromossomo replicado para as células filhas durante a divisão celular FIGURA 6a Caso um cromossomo perca sua região centromérica a segregação não aconte cerá o cromossomo se perde e pode ser degradado pela célula No centrômero tam bém encontramos um disco de proteína o cinetócoro ao qual se prendem os filamen tos do fuso acromático durante o processo de divisão da célula A posição do centrômero FIGURA b delimita dois braços no cromossomo Dependendo da razão entre o tamanho desses braços r lc onde l é o tamanho do braço longo e c é o tamanho do braço curto os cromossomos podem ser classificados em Metacêntrico centrômero localizado aproximadamente no meio do cromossomo formando dois braços de tamanho semelhante 100 r 149 Submetacêntrico o centrômero está um pouco deslocado da região mediana do cromossomo formando dois braços de tamanhos diferentes 150 r 299 Acrocêntrico centrômero está bem próximo a uma das extremidades do cromos somo formando um braço grande e outro muito pequeno 300 r Telocêntrico o centrômero está em uma das extremidades adjacente ao telômero tendo um único braço visível Não ocorre na espécie humana embora possa estar presente em outras espécies animais As regiões terminais dos cromossomos são denominadas telômeros Os telô meros são regiões de DNA compostas por sequências repetitivas de nucleotídeos CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 40 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr Faz algum tempo que já se sabe que estas são regiões especializadas que previnem que dois cromossomos se unam através de suas extremidades Em experimentos em que o uso do raio X provocou a perda da região telomérica os cromossomos apre sentaram tendência a se ligar por essas extremidades Figura 6 O cromossomo compactado a Desenho de um cromossomo duplicado mostrando cada uma de suas partes b Diferentes formas dos cromossomos se gundo a posição de seu centrômero CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 41 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr 6 Os cromossomos nas espécies O genoma nuclear de uma espécie é definido como a informação genética total presente nos seus cromossomos Em espécies que possuem cromossomos sexuais o número de tipos de cromossomos ou moléculas de DNA da espécie pode ser dife rente do número de cromossomos do genoma A espécie humana é um bom exemplo Embora nosso genoma haplóide tenha 23 cromossomos FIGURA 7 nossa espécie possui 24 tipos de cromossomos diferentes sendo 22 tipos de cromossomos autos sômicos e 2 tipos de cromossomos sexuais o cromossomo X e o cromossomo Y Figura 7 Genoma haploide na espécie humana a espermatozoide b óvulo CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 42 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr A Quadro 1 mostra o número de cromossomos do genoma haploide de diver sas espécies Como você pode verificar o número de cromossomos não está relaci onado ao tamanho nem à complexidade biológica de um organismo Quadro 1 Número de cromossomos que constituem o genoma haploide em algumas espécies eucariontes Organismo Nº haploide de cromossomos no genoma Fungos Levedura de padaria 16 Saccharomyces cerevisiae 7 Plantas Milho Zea may 10 Tomate Lycopersicon esculentum 12 Feijão Vicia faba 6 Sequóia gigante Sequóia sempovirens 11 Animais invertebrados Mosca de frutas Drosophila melanogaster 4 Mosquito Anoheles culicifacies 3 Estreladomar Asterias forbesi 18 Animais vertebrados Ser humano Homo sapiens 23 Chimpanzé Pan tryglodites 24 Cachorro Canis familiaris 39 Gato Felis domesticus 36 Camundongo Mus musculus 20 Galinha Gallus domesticus 39 Sapo Xenopus laevis 25 Cromossomos geneticamente equivalentes ou seja apresentando a mesma sequência de genes são ditos cromossomos homólogos do grego homos igual se melhante Nas espécies diploides são cromossomos homólogos aqueles membros de um mesmo par Apesar de possuírem os mesmos genes os homólogos não codi ficam necessariamente a mesma informação genética Cada um dos homólogos pode possuir um alelo diferente do mesmo gene produzindo proteínas diferentes com efeitos distintos no organismo Chamamos cariótipo à constituição cromossômica de uma célula ou de um in divíduo Diferentes técnicas para observação de cariótipos vêm sendo desenvolvidas e você terá oportunidade de conhecêlas melhor em aulas futuras CENTRO UNIVERSITÁRIO DE CARATINGA GRADUAÇÃO UNEC EAD DISCIPLINA GENÉTICA NÚCLEO DE ENSINO A DISTÂNCIA NEAD Página 43 Professor Juscélio Clemente de Abreu biotecabreuyahoocombr Além do material genético contido no núcleo genoma nuclear as mitocôndrias também contêm DNA O genoma mitocondrial humano contém 16569 pares de base de DNA incluindo 37 genes que codificam algumas das proteínas e RNAs envolvidos na atividade mitocondrial As células humanas podem conter milhares de mitocôn drias logo milhares de cópias do genoma mitocondrial Esse genoma é herdado pra ticamente só da mãe Isso porque durante a formação do zigoto o espermatozoide contribui com seu genoma nuclear mas não o mitocondrial Por sua vez o óvulo con tribui com seu genoma nuclear e com seu genoma mitocondrial que é transmitido somente através do citoplasma do óvulo materno Em aulas futuras você poderá es tudar a herança de genes extranucleares com mais detalhes