Princípios de Genética Princípios de Genética MicrobianaMicrobiana

Genética (do grego genno; fazer nascer)

É a ciência da hereditariedade e da variabilidade dos organismos.

Definição

A variabilidade é uma característica necessária dos organismos vivos , tanto quanto sua constância.

A variabilidade está associada a duas propriedades:

Genótipo: potencial total herdado Procariotos: cromossomo + qualquer DNA presente Eucariotos: cromossomo + DNA organelas (mitocôndrias e cloroplastos)

Fenótipo: expressão de uma porção do genótipo.

Condições ambientais também podem influenciar o fenótipoEx. Azomonas spp.

- meio com sacarose: colônias mucosas e grandes- meio sem sacarose: colônias secas e pequenas

Variabilidade em microrganismosVariabilidade em microrganismos

Os microrganismos apresentam elevadas velocidades metabólicas.

Em algumas horas várias gerações podem surgir

Ex: E. coli: 3 gerações em 1 hora.

A célula duplica o material genético antes da divisão celular

clones

Podem surgir variantes, espontaneamente ou pela ação de fatores químicos ou físicos

Mutantes resistentes crescendo dentro de uma zona de inibição

Variações no genoma microbiano

1) Mutações Alterações (hereditárias) na sequência de

nucleotídeos de um gene.

- Geralmente resultam em pequenas alterações

genéticas (uma em vários milhões de células)

2) Recombinação genética Elementos genéticos contidos em dois genomas

diferentes são reunidos numa unidade – nova combinação de genes.

- Provoca alterações mais significativas.

As bactérias podem testar bilhões de mutações em pequenos intervalos de

tempo.

O ser humano deve levar cerca de 25 anos para testar uma mutação.

Mecanismos:

a) adição ou perda de nucleotídeos no gene(deslocamento do quadro de leitura)

gera frequentemente proteínas não funcionais

b) Substituição de nucleotídeos no gene (mutação pontual)

proteína normal proteína incompleta proteína defeituosa (não funcional)

1) Mutações1) Mutações

Mutações por substituição de nucleotídeos

Vários agentes podem aumentar a frequência das mutações:

Químicos: análogos de bases, agentes que reagem com o DNA Físicos: radiações raios-X, luz UV Elementos transponíveis: Transposons

Agentes mutagênicos

- A frequência das mutações variam bastante e podem ocorrer

espontaneamente

- As que são muito frequentes criam dificuldade na manutenção dos

bancos de culturas:Em culturas com 108 células/mL é provável de se encontrar vários mutantes

Agentes mutagênicos químicos

Brometo de etídio

Análogos de bases e substâncias que reagem com o DNA

- Acridinas- Nitrosaminas- Nitrato de Sódio- Gás mostarda- Fenol e compostos fenólicos- Glutaraldeído- Esterilizantes quimicos gasosos (óxido de etileno, formaldeído)- Colquicina- Ácido nitroso (HNO3)- Aflatoxina B1 ....

• As bases absorvem fortemente radiação UV (260 nm é a mais letal - UVC)- Ferramenta útil no obtenção e isolamento de mutantes.

• Radiações ionizantes causam efeito indireto- Produção de radicais livres a partir da água que reagem com as macromoléculas

Agentes mutagênicos

Radiações

Genes de transposição

Ex: gene de resistência a um antibiótico

Transposons

Elementos mutagênicos constituídos do próprio DNA.- Pedaços móveis do DNA

Isolamento de mutantes

Mutantes resistentes a um antibiótico

• Qualquer característica de um organismo pode ser modificada por meio de

mutações.

• As mutações podem conferir ou não vantagem a um microrganismo.

Mutações podem ser detectadas pela simples inspeção visual

Mutantes pigmentados e despigmentados de Aspergillus nidulans

Mutantes de Halobacterium que perderam a vesícula de gás.

Isolamento de mutantes

Meio completoMeio mínimo

Plaqueamento em réplica: quando o fenótipo dos mutantes não é facilmente reconhecível. Ex. mutantes nutricionais :

Formação de um novo genótipo através da troca de material genético entre DNAs, geralmente entre espécies relacionadas.

Nos eucariotos ocorre entre dois cromossomos homólogos durante a MEIOSE (fenômeno crossing-over).

Nos procariotos a recombinação ocorre através de três processos:

-Transformação, conjugação e transdução

2) Recombinação genética2) Recombinação genética

1. Transformação:

Griffith: 1928 Natureza: DNA livre

(Evento marcante na biologia pois forneceu as primeiras evidências de que o DNA era o material genético)

Recombinação genética

Experimento de Griffith (1928)

Transformação

Experimentos com Streptococcus pneumoniae

Transformação

Naturalmente poucas bactérias realizam a transformação com

eficiência.

Entretanto, esse processo é comumente induzido, através da

eletroporação utilizada na área da genética molecular.

Transformação

Necessidade de células competentes: fase logarítmica final de crescimento e produção de proteína especial de ligação.

2. Conjugação

Lederberg e Tatum (1946)- Questionaram o senso comum de que bactérias somente produziam

clones de si mesmas.

- Experimentos delineados para determinar se as bactérias realizam processos sexuais.

Requer contato entre células Transferência de plasmídeo ou cromossomo

Recombinação genética

Experimento utilizando mutantes nutricionais de E. coli

Lederberg & Tatum (1946)

Conjugação

Conjugação

3. Transdução

Lederberg e Zinder (1951)Estudava a conjugação em outras bactérias além da E. coli e percebeu que os eventos não necessitavam de contato intercelular, mas não era uma transformação.

vírus como vetor

Recombinação genética

Transdução generalizada

Baixa frequência de transferência

Empacotamento acidental

Transdução especializada

Alta frequência de transferência

Luz ultravioleta

Mecanismos:

1. Regulação da atividade enzimática

2. Regulação da tradução

3. Regulação da transcrição

Regulação da expressão gênicaRegulação da expressão gênica

Centenas de reações enzimáticas ocorrem durante um único ciclo de crescimento.

Necessidade de regulação das atividades:

- Melhor utilização dos recursos, menor dispêndio de energia.

Visão geral dos mecanismos de regulação gênica

raro

1. Regulação da atividade enzimática

Regulação alostérica(alterações na estrutura terciária da proteína)

A aspartato transcarbamoilase fornece N-carbamoil-aspartato para a rota de síntese de pirimidinas. É uma enzima alostérica inibida por CTP e ativada por ATP. Composta por 6 unidades regulatórias e 6 catalíticas.

ativa

inativa

A ligação de CTP às subunidades regulatórias “fecha” o acesso aos sítios ativos nas subunidades catalíticas.

2. Regulação da transcrição (indução)

Operon: unidade completa de expressão gênica

Ex: utilização da lactose

(lactose)

2. Regulação da transcrição (repressão)

Ex: síntese de arginina

Processo amplamente distribuído nas bactérias, para controle na síntese de aminoácidos