1

Gene: é a unidade da informação hereditária. É

um segmento de DNA com informação para

sintetizar uma determinada proteína (o que

determina uma dada característica).

Genoma: conjunto de genes existente num

indivíduo, abrange a totalidade da sua

informação genética. Existe uma cópia do

genoma em cada uma das células do

organismo.

Histonas: proteínas associadas ao DNA.

Cromatina: é a designação para o agrupamento

de cada porção da DNA com as histonas.

Cromossoma: filamentos de cromatina

condensados, curtos e espessos.

Nucleossoma: associação da histona ao DNA.

Cariótipo: conjunto de todos os cromossomas

presentes numa célula de determinada espécie.

DNA dos procariontes – uma só molécula, não associada a proteínas, dispersa no citoplasma.

DNA dos eucariontes – várias moléculas, associadas a proteínas, histonas. Encontra-se no núcleo.

Também existe DNA extracelular em mitocôndrias e cloroplastos.

Determinação genética do sexo

Os genes são responsáveis pelas características dos indivíduos e que se localizam nos cromossomas, a

determinação do sexo dos indivíduos não é exceção e radica no tipo ou número de cromossomas que estes

possuem.

Na maioria dos casos, a determinação do sexo envolve diferenças ao nível dos heterossomas (cromossomas

sexuais), no entanto, em alguns animais a determinação é feita com base no número total de cromossomas que cada

indivíduo possui.

Humanos

Embora os cromossomas X e Y sejam diferentes, em termos de composição e estrutura, no entanto, durante a

meiose estes cromossomas comportam-se como homólogos.

Cada gâmeta masculino transporta 22 autossomas e 1 heterossoma, com igual probabilidade de ser X ou Y.

Cada gâmeta feminino transporta 22 autossomas e 1 heterossoma, no entanto este só transporta heterossomas

do tipo X, sendo assim o sexo de um novo ser é determinado pelo espermatozoide.

2

Regulação/ expressão Genética

Em cada célula, apenas uma parte do seu genoma está a ser expresso, determinando as suas características.

Esse conjunto de genes que se expressa varia consoante o tipo de célula, sendo esta a causa primeira da

diferenciação celular;

Este fenómeno é resultado da regulação da expressão dos genes.

Nos organismos mais simples, como procariontes, a regulação génica condiciona a eficiência energética e o

consumo de recursos disponíveis, permitindo que estes organismos ajustem o seu metabolismo às modificações que

ocorrem no meio, algo fundamental para a sua sobrevivência.

Jacob e Monod – Metabolismo da lactose

Operão Lac

O cromossoma Y tem um papel

decisivo na determinação do

sexo, foi identificada uma região

do cromossoma Y, chamada SRY,

que determina a masculinidade.

Até às 6 semanas de gestação,

não se manifestam diferenças

sexuais nos embriões, a partir

dessa altura, um gene da região

SRY seja ativado nos rapazes e se

inicie a produção de hormonas

sexuais que vão atuar no sentido

de estimularem a diferenciação

dos órgãos sexuais. A ausência

destas hormonas conduz à

diferenciação de órgãos sexuais

femininos.

3

Os genes responsáveis pela síntese destas três enzimas, utlizadas na produção da lactose, são os genes

estruturais, que por sua vez, são controlados por outros genes próximos.

Operão: conjunto dos genes estruturais com funções relacionadas e dos genes que os controlam.

Constituição do operão lac:

3 genes estruturais, lacZ, lax Y, lac A, codificam as enzimas necessárias ao metabolismo da lactose;

Promotor: região onde a enzima RNA polimerase, responsável pela transcrição dos genes estruturais, se liga;

Operador: controla o acesso da enzima, RNA polimerase, aos genes estruturais.

Lactose Ausente

Quando não existe lactose no meio, um repressor está ligado ao operador, bloqueando a transcrição dos

genes estruturais.

Esta proteína repressora é codificada por um gene que se situa fora do operão é designado gene repressor

ou gene regulador, constantemente transcrito e traduzido. Assim, a bactéria produz continuamente pequenas

quantidades de proteína repressora.

Lactose Presente

Quando existe lactose no meio, esta molécula liga-se ao

repressor, altera a sua conformação de tal forma que este se

torna inativo, desligando-se do operador.

Assim, o operador fica livre, permitindo que os genes

estruturais sejam transcritos e, posteriormente, traduzidos,

formando-se enzimas necessárias ao metabolismo da lactose.

A lactose funciona como um indutor, pois a sua presença permite ativar o operão.

O operão da lactose é designado por operão indutível.

Quando a concentração da lactose começa a baixar drasticamente, devido à ação catalíticas (reações

catabólicas) das enzimas, a lactose desliga-se do repressor, que, ao voltar a ficar ativo, liga-se ao operador,

bloqueando a transcrição do operão.

Desta forma, garante-se uma poupança de recursos devido aos fenómenos de autorregulação acima

descritos.

Ausência de Lactose

O gene regulador determina a síntese de um repressor;

O repressor bloqueia o gene promotor ao ligar-se ao operador;

A RNA polimerase não se liga ao promotor;

Os genes estruturais não são transcritos; Não ocorre a síntese das três enzimas.

Presença de Lactose

A lactose liga-se ao repressor, inativando-o;

O gene operador fica desbloqueado;

A enzima RNA polimerase liga-se ao promotor;

Os genes estruturais são transcritos;

Dá-se a síntese das enzimas.

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Operão Trp

Constituição do operão trp:

5 genes estruturais;

Promotor;

Operador.

Ausência de Triptofano

O gene regulador produz um repressor, inativo;

O gene operador está livre;

A RNA polimerase pode ligar-se ao promotor;

Dá-se a transcrição;

Ocorre a síntese das enzimas.

Presença de Triptofano

O triptofano liga-se ao repressor, ativando-o;

O Repressor liga-se ao operador;

A RNA polimerase não pode ligar-se ao gene promotor;

Os genes estruturais não são transcritos;

Não se sintetizam as enzimas.

Triptofano ausente

Quando a concentração intracelular de

triptofano está baixa, as enzimas necessárias à

sua síntese são produzidas por transcrição dos

enes estruturais, conduzindo a um aumento da

concentração do aminoácido.

Existe também uma molécula repressora

codificada pelo gene regulador, no entanto esta

molécula é sintetizada sob a forma inativa, não

se podendo ligar ao operador e bloquear o

operão.

Triptofano presente

Quando a concentração de triptofano

atinge níveis elevados, algumas moléculas do

aminoácido, ligam-se ao repressor, alterando a

sua conformação, tornando-o ativo, o triptofano

atua como co repressor.

O repressor liga-se ao operador,

bloqueando a transcrição dos genes estruturais

do operão.

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Mutações

Génicas - envolvem uma alteração pontual ao nível do

nucleótidos de um gene.

Cromossómicas - envolvem a estrutura ouo número de

cromossomas. Afetam porções de cromossomas completos ou até conjuntos de cromossomas.

Estruturais

Numéricas

Regulão

Nos casos dos operões lac e trp cada um é controlado por um regulador diferente;

Em alguns casos, existe um grupo de operões que é controlado por um único tipo de regulador, este grupo

de operões toma a designação regulão;

Por exemplo, operões com intervenção no catabolismo de glícidos são controlados em simultâneo pelo

mesmo regulador, tornando mais eficaz e rápida a conversão de glícidos em glicose.

Mutações Génicas

Uma alteração a nível dos genes, deve-se à substituição de nucleótidos (exemplos: anemia falciforme e

fenilcetonúria);

Noutros casos a molécula de DNA perde (deleção) ou ganha (inserção) um nucleótido, alterando-se por

completo a mensagem a partir do codão onde ocorreu a mutação.

O fenótipo dos indivíduos resulta de interações

que se estabelecem entre fatores ambientais e

genoma;

A célula tem capacidade para reparar anomalias

que afetam o DNA mas algumas persistem e

alteram o genoma;

O genoma dos indivíduos, em circunstâncias

diversas, sofre alterações chamadas mutações;

As mutações ocorrem frequentemente de fora

espontânea, como resultado de ação de agentes

mutagénicos internos ou externos a organismo.

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Tipos de Mutações

Efeitos das mutações

O efeito de uma mutação é imprevisível ;

Pode ser benéfica se conduzir a uma característica vantajosa. Noutros casos á prejudicial, alterando o

funcionamento da célula é conduzido à sua morte;

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Frequentemente, o seu efeito é neutro, dada a redundância do código genético, não provocando modificações

na sequência de aminoácidos da proteína (mutação silenciosa);

O novo aminoácido pode apresentar propriedades similares à do aminoácido substituído ou, ainda, a

substituição ocorrer numa zona da proteína não determinante para a sua função.

Causas das mutações

As mutações podem ocorrer espontaneamente na Natureza ou serem induzidas, por exposição a determinadas

radiações (X, gama, cósmicos, UV, radioatividade) ou substância químicas (nitrosaminas, colquicina, gás

mostarda);

Na superfície do planeta existem fontes naturais de radiação (raios solares, raios cósmicos e a radioactividade

dos minerais) da baixa intensidade;

No DNA mitocondrial e em bactérias e vírus não há mecanismos de reparação pelo que a taxa de mtação é muito

superior.

Mutações relacionadas com a descendência

Em células somáticas – a mutação pode originar um clone de células mutantes, com possíveis efeitos na vida do

individuo, mas não afeta a sua descendência por não ser transmitida sexualmente.

Em células gaméticas – a mutação pode ser transmitida aos descendentes estando presente em todas as suas

células.

Mutações cromossómicas

Podem ocorrer quer em autossomas quer em cromossomas sexuais, desencadeando um conjunto de sintomas,

globalmente designado por síndroma.

Mutações cromossómicas estruturais

Deleção – perda

de material

cromossómico,

originando falta

de genes no

centro ou na

extremidade do

cromossoma.

Duplicação – Adição de

um segmento

cromossómico resultante

de cromossoma

homólogo. Desta forma,

um conjunto de genes

surge em duplicado.

Inversão – Inversão da

ordem dos genes

resultante da soldadura

em posição invertida de

um segmento

cromossómico.

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É sobretudo a rutura da estrutura linear dos cromossomas, durante ao crossing – over, seguida de uma

reparação deficiente, que determina o aparecimento de alterações estruturais.

Mutações cromossómicas numéricas

Euploidia – o cariótipo apresenta o número normal de cromossomas;

Aneuploidia – o cariótipo, num determinado par de homólogos, apresenta anomalias, por excesso ou or defeito,

no número de cromossomas:

o Trissomia – o individuo apresenta não um par de homólogos mãos três cromossomas (2n+1);

o Monossomia – para um determinado par, o indivíduo possui apenas um cromossoma (2n-1);

o Nulissomia – em casos muito raros pode não existir nenhum cromossoma de um determinado (2n-2).

Poliploidia – todo o conjunto de cromossomas fica multiplicado.

Translocação

Simples

Translocação

simples –

transferência de

material de um

cromossoma para

outro não

homólogo.

Translocação

recíproca – troca

de segmentos

entre dois

cromossomas não

homólogos.

Durante a meiose pode

ocorrer quer uma não

disjunção de homólogos

na divisão I, quer uma não

disjunção de cromatídeos

na divisão II;

De ambos os casos

resultam células com

excesso ou com défice de

cromossomas;

Grande parte dos

embriões que resultam de

gâmetas com anomalias

cromossómicas numéricas

aborta espontaneamente.

Outros sobrevivem.

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Aneuploidias heterossómicas (cromossomas sexuais)

Poliploidias

As mutações cromossómicas numéricas conduzem frequentemente ao aparecimento de indivíduos poliploides

(3n, 4n, …);

Nestes indivíduos existe um número de conjuntos completos de cromossomas que é múltiplo do número

haploide primitivo existente nos gâmetas.

Causas da poliploidia:

Não disjunção de cromossomas durante a mitose ou meiose;

Disjunção dos cromossomas mas inexistência de citocinese.

Efeitos da poliploidia:

Aparecimento de poliploides

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A poliploidia pode conduzir á formação de novas espécies; estima-se que as maiorias das espécies de plantas

atuais sejam poliploides;

As espécies poliploides apresentam vários conjuntos cromossómicos das espécies de onde provieram,

apresentando vantagens adaptativas.

Oncogenes

Proto – oncogene: genes normais que estimulam a divisão celular, estando implicados na regulação da

proliferação e da diferenciação celular;

Oncogene: sequência de DNA resultantes da alteração quantitativa ou qualitativa (mutações) de proto –

oncogene em oncogene e que podem conduzir à formação de um tumor (cancro);

A mutação de um proto – oncogene em oncogene resulta da exposição a agentes mutagénicos.

Genes supressores do cancro: tal como os proto – oncogenes estão envolvidos na divisão das células mas as

proteínas a que dão origem contrariam o estímulo proliferativo das proto – oncogenes através de uma ação

inibidora.

o Quando estes genes sofrem uma mutação perdem a capacidade de realizar este controlo e a divisão

celular realiza-se de forma descontrolada, originando um cancro.

Aparecimento do cancro

Todos os cancros são genéticos na medida em que resultam de alterações do DNA mas os cancros hereditários

são raros. Neste caso a alteração genética está presente em todas as células do individuo e manifesta-se muito cedo.

A maioria dos cancros, são esporádicos e surgem como resultado de mutações somáticas que resultam da

interação entre o genoma do individuo e o ambiente (vírus, bactérias, hormonas, fumo do tabaco, radiações solares

poluição do ar, produtos químicos, …). Consoante o cancro, varia a importância da componente genética em relação

à ambiental.

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Enzimas de restrição

Também chamadas endonucleases de restrição.

Cortam a hélice dupla de DNA em zonas específicas,

sempre que as encontram.

São enzimas bacterianas, que as defendem dos ataques

dos bacteriófagos.

o Algumas bactérias possuem um sistema de

defesa especializada contra este tipo de vírus

– enzimas de restrição;

o Estas enzimas cortam o DNA dos

bacteriófagos, destruindo-o.

Extremidade romba – a direito;

Extremidade coesiva – desvio.

Cada enzima tem uma determinada sequência de

reconhecimento, designada palindrómicas.

DNA ligase

Quando as extremidades coesivas são compatíveis estabelecem-se pontes de H entre si.

DNA ligase catalisa a formação de ligações fosfodiester, de modo a unir vários nucleótidos.

DNA polimerase

Permite a replicação do DNA;

Precisa de uma cadeia molde;

Precisa de um fragmento iniciador (primer) para ter uma extremidade 3’ livre;

Adiciona nucleótidos no sentido 5’3’ ;

Retirada da Thermus aquaticus (bactéria que vive em fontes termais);

Está adaptado a altas temperaturas, pelo que todas as suas proteínas têm T ótimas elevadas;

Não desnatura aos 90ºC.

Transcriptase reversa

Foram retiradas de retrovírus, que convertem o seu material genético (RNA) em DNA quando infetam o

hospedeiro;

Lê uma sequência de mRNA e sintetiza uma cadeia de DNA complementar;

Permite obter uma molécula de DNA sem intrões.

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Vetores

Na transferência de genes é necessária a existência de um “transportador”, isto é, um vetor que

leva o material genético de um genoma para outro.

Há diversos tipo de vetores sendo os plasmídeos das bactérias dos mais utilizados.

Plasmídeos

Servem de veículo para introduzir DNA estranho em células vives.

São moléculas circulares de DNA de cadeia dupla existentes nas bactérias.

Podem replicar-se de forma independente do DNA bacteriano.

Bacteriófagos

Servem de veículo para introduzir DNA estranho em células vivas.

São vírus que atacam bactérias.

Permite introduzir fragmentos de DNA maiores.

DNA recombinante

Nova molécula de DNA formada artificialmente pela recombinação de duas ou mais sequências de DNA de

diferentes origens.

DNA complementar

DNA sintético que é produzido a partir de um mRNA pela atividade transcriptase reversa.

Técnicas de Engenharia Genética

DNA recombinante

1. Isola-se DNA de dois organismos

(célula humana e plasmídeo de

bactéria);

2. O DNA de cada organismos é

fragmentado pela mesma enzima

de restrição;

3. Extremidades coesivas de duas

moléculas de DNA;

4. A porção de DNA humano e o DNA

do plasmídeo, com as

extremidades livres, são postos em

contato;

5. Adicionam-se ligase de DNA;

6. O plasmídeo com DNA recombinante entra para algumas bactérias;

7. As bactérias crescem num meio seletivo. Se por exemplo, o plasmídeo possuir naturalmente um gene que

lhe confere resistência a um determinado antibiótico. Das bactérias que forem cultivadas num meio com

esse antibiótico, só as que têm o plasmídeo recombinante se reproduzem, formando colónias;

8. Bactérias tendo cada uma delas cópias do gene humano.

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A técnica do DNA recombinante permite produzir moléculas de DNA a partir da combinação de genes com

proveniências diferentes;

É possível introduzir um gene humano em bactérias para que estas produzam, em larga escala, uma

determinada proteína humana;

Além disso, o gene com interesse é clonado permitindo a duas conservação em diversas cópias para posteriores

utilizações – bibliotecas de genes.

DNA complementar

1. Uma molécula de mRNA é posta em

contacto com a enzima transcriptase

reversa;

2. A enzima transcriptase reversa vai

catalisar a formação de uma cadeia

simples de DNA (molécula híbrida de DNA

e mRNA);

3. Quando a síntese da cadeia simples de

DNA se completa, o mRNA é removido,

degradando-se;

4. Promove a replicação do DNA.

Vantagens:

O mRNA usado é uma molécula madura: s/ intrões

O DNA isolado é logo funcional;

Utilização do gene está mais facilitado.

- Este DNA é obtido a partir do mRNA por complementaridade de bases, um mRNA que já sofreu processamento (s/

intrões);

- A produção de cDNA é possível por ação da enzima transcriptase reversa. O mRNA funciona como molde para a

síntese de uma cadeia de DNA, um processo inverso do que se passa habitualmente na transcrição;

- Após a formação da primeira cadeia de cDNA, a DNA polimerase forma a cadeia complementar, constituindo-se um

molécula estável.

- A comparação entre o cDNA (sem intrões) e o DNA original, permite localizar as regiões codificantes (exões) e as

não codificantes (intrões) de um determinado gene;

- O cDNA facilita a produção de proteínas de seres eucariontes em bactérias uma vez que estas não possuem

mecanismos de processamento do mRNA, isto é em presença de um DNA original transcreveriam todo o gene,

incluindo os intrões, obtendo-se proteínas diferentes das pretendidas;

- Ao ser inserido um clone de cDNA garante-se a produção de proteína normal.

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Biblioteca Genómica

Extrair todo o genoma de um organismo;

Cortar com enzimas de restrição;

Inserir os fragmentos num vetor;

Trsnformar bactérias com esses vetores;

Conservar as culturas bacterianas de modo a armazenar o DNA por longos períodos de tempo.

Biblioteca de DNA complementar

O processo idêntico, mas em vez de utilizarmos todo o genoma do organismo, extraímos o mRNA e usando

uma transcriptase reversa sintetizamos cDNA.

Reações de polimerização em cadeia (PCR)

1. Dupla hélice de DNA a ser copiada. A esta molécula, adicionam-se primers, nucleótidos livre e DNA

polimerase resistente ao calor. Os primers são oligonucleóidos sintéticos de DNA de cadeia simples (10 a 30

bases) que se vão ligar ao DNA em pontos específicos, delimitando a zona a copiar;

2. Por aquecimento separam-se as cadeias de DNA;

3. Por arrefecimento alguns primers ligam-se a

zonas específicas de cadeia simples de DNA;

4. A partir dos primers reconstitui-se a dupla

hélice de DNA, uma vez que o DNA

polimerase reconhece os primers como

locais de iniciação de síntese.

Electroforese

Técnica utilizada para separar fragmentos de DNA de diferentes tamanhos, com a ajuda de um campo

elétrico;

As amostras de DNA são carregadas nos poços de um gel de agarose.

DNA fingerprinting

o Cada indivíduo

possui o seu

próprio DNA, que

é único.

o No seio do DNA

encontram-se

zonas de

restrição-

sequenêcias

repetitivas ao

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longo da molécula – cujo número, tamanho e localização são variáveis de individuo para individuo;

o Submetido às enzimas de restrição o DNA fragmenta-se em porções de diferentes tamanhos e pesos

moleculares;

o Estes pedaços de DNA, sujeitos a eletroforese, revelam um padrão de fragmentos de restrição que é

único para cada individuo, funcionando como um código de barras genético.

Aplicações:

o Forense;

o Testes de paternidade;

Organismos geneticamente modificados

A manipulação genética, iniciada em microrganismos,

alargou-se a outros seres vivos vulgarmente animais e

plantas;

Designam-se organismos geneticamente modificados (OGM)

ou transgénicos, aqueles cujo genoma foi manipulado,

apresentando diferenças relativamente à sua constituição

original.

A manipulação genética permite obter de forma rápida,

organismos com características vantajosas (ex. plantas mais

resistentes a doenças, a herbicidas, ao calor, à seca, à geada,

com menos necessidade de adubos, com frutos maiores, com paladares novos, mais nutritivos, produzindo

fármacos, etc.)

Os OGM levantam reservas não só em termos d perturbação ambiental. Não é seguro que os OGM através

da reprodução, não disseminem genes manipulados, alterando o equilíbrio das populações naturais.