Material de apoio à Cadeira de Genética Molecular e Clássica

 

Introdução a Genética

A Genética representa a Ciência da hereditariedade. Através dela você estudará a origem, a manifestação e a transmissão de todas as características dos seres vivos. Por essa razão, a Genética é uma disciplina de fundamental importância, pois promove uma interacção directa com todas as outras disciplinas do curso.

Directamente, serve como continuidade ao estudo de Citologia (Citogenética) e torna-se a base para as disciplinas de Embriologia e Evolução. Em sua abordagem e desenvolvimento, você terá a oportunidade de conhecer mecanismos de funcionamento do núcleo celular (código genético) e toda a evolução dos historiadores que, na tentativa de explicar a hereditariedade, criaram fascinantes e curiosas teorias. Conhecerá também a base de todo o estudo da Genética, através das Teorias Mendelianas, bem como sua actualização.

 Caro estudante, entenderás a incidência de diversas manifestações, inclusive doenças, que ocorrem em nossa espécie, sendo capaz de realizar estudos e previsões de heranças.

Vivenciará o momento do desenvolvimento da Engenharia Genética e da Biotecnologia como Ciências do século XXI. Com tantas vertentes, a Genética torna-se uma disciplina de grande amplitude no seu desenvolvimento profissional, permitindo actuação em instituições de pesquisa, indústrias farmacêuticas, alimentícias, laboratórios de reprodução, fazendas (cultivos e criações) etc. Como você vê, trata-se realmente de uma ciência nova e em franca expansão.

Desde a antiguidade, o homem busca entender como ocorre a transmissão das características de um ser para outro. As primeiras ideias sobre hereditariedade eram bastante simples e apenas afirmavam que os filhos eram semelhantes aos pais, sem entender o mecanismo por trás dessa constatação.

A Genética é a parte da Biologia que estuda a hereditariedade, ou seja, a forma como as características são repassadas de geração para geração. Considera-se que essa ciência iniciou-se com os experimentos e leis propostas por um monge chamado Gregor Mendel, em um trabalho publicado em 1866.

Mendel esperava, com o desenvolvimento de seus trabalhos com ervilhas, entender por quê o cruzamento entre híbridos gerava descendentes tão diferentes. Segundo alguns autores, com esses trabalhos, Mendel pretendia criar formas de desenvolver plantas híbridas que conservassem características importantes para a agricultura.

A Genética nasceu e cresceu a partir de estudos cada vez mais aprofundados sobre a hereditariedade. Em outras palavras, sobre como e por quê as características de seres vivos, em geral, são transmitidas dos pais para seus filhos através da reprodução. E, depois, passadas adiante, geração após geração.

Criadores de animais e agricultores da antiguidade já trabalhavam com a possibilidade de “direccionar” cruza­mentos entre indivíduos à sua disposição para conseguir novas linhagens. Estas deveriam exibir determinadas carac­terísticas que lhes fossem úteis (por exemplo, vacas que dessem mais leite ou galinhas que colocassem mais ovos e que fossem maiores). No entanto, eles não sabiam muito (ou mesmo nada) sobre mecanismos e processos genéticos.

Por volta da metade do século XIX, um monge austríaco chamado Gregor Mendel planejou cuidadosamente experiências para estudar como se dava a transmissão de características de uma geração para outra. Ele estava inte­ressado em pesquisar as características e a reprodução de certos grupos de plantas. Embora tenha trabalhado com diferentes grupos de plantas ao longo de sua vida, os estudos mais importantes de Mendel foram feitos com ervilhas, desenvolvidos entre os anos de 1856 e 1863, nos jardins do mosteiro onde vivia.

A Genética é a área da Biologia responsável pelo estudo da hereditariedade: a transmissão de características de pais para filhos, ao longo das gerações. A maior contribuição para a Genética actual foi dada pelo monge Gregor Mendel (1822-1824), que realizou experimentos com ervilhas cultivadas em seu jardim, no mosteiro de Brunn, na Áustria (actualmente Brno, na República Tcheca).

Estudar Genética aprimora discussões éticas, sociais, morais e econômicas na construção científica, vós podereis vivenciar situações da vida humana, entendendo como acontece à transmissão dos carácteres dos pais para a sua prole, adquire a percepção humana em avaliar os fenômenos e entender como ocorre à hereditariedade, por meio da teoria da probabilidade, que amplia maneiras de desenvolver os pensamentos e raciocínios, relacionando fenômenos aleatórios e permitem tomar decisões e fazer previsões.

O trabalho de Mendel, apresentado à comunidade científica em 1865, passou despercebido até que em 1900 três cientistas, de modo independente, reconheceram e confirmaram as ideias de Mendel. Mendel postulou que a transmissão dos caracteres hereditários era feita por meio de factores que se encontravam nos gametas. Ele chegou as suas conclusões antes mesmo de saber o que são cromossomas e de se conhecerem os processos de divisão celular por mitose e meiose.

No período entre a publicação do trabalho de Mendel e seu redescobrimento em 1900, muitos avanços aconteceram no campo da Citologia. Os cromossomas e outras estruturas celulares foram observadas ao microscópio, e os processos de divisão celular por mitose e meiose, foram descritos.

A partir de interpretações consideradas correctas sobre a participação dos genes e dos cromossomas nos mecanismos da herança, a Genética teve um grande desenvolvimento e hoje é uma área em plena expansão.

Reprodução e Hereditariedade

A compreensão do fenômeno da hereditariedade relaciona-se ao entendimento do processo de reprodução e de como são formados novos indivíduos. A hereditariedade é um fenômeno que representa a condição de semelhança existente entre ascendentes (geração parental) e descendentes (geração filial), através da contínua transferência de instruções em forma de código (as bases nitrogenadas), inscritas no material genético (molécula de ácido desoxirribonucleico), orientando a formação, desenvolvimento e manutenção de um ser vivo. Dessa forma, a hereditariedade se expressa a partir do conjunto de todas as características contidas no núcleo das células gaméticas, funcionando durante a fecundação (união do óvulo com o espermatozóide).

No entanto, uma característica hereditária pode permanecer inactiva de uma geração para a outra, o que não significa a sua exclusão, mas a dormência circunstancial de um ou vários genes para uma dada característica. Contudo, não impedindo que um portador de genótipo oculto transmita aos seus descendentes um fenótipo que ficou escondido.

Este acontecimento ocorre com frequência em animais e plantas. Nos seres humanos é mais nítido quando observamos a aparência física superficial como: a pigmentação dos olhos ou da pele. Assim, pais com olhos castanhos podem ter filhos com olhos claros, verdes ou azuis, herança de seus avós ou antecedentes. Porém, pode a informação gênica hereditária ser suprimida em decorrência dos factores ambientais, passando por processo de selecção natural e adaptação, mas isso em longo prazo.

Cromossomas e Hereditariedade

Atualmente se sabe que os gâmetas feminino e masculino contêm os cromossomas maternos e paternos, respectivamente. Os cromossomas são filamentos compactados e enovelados compostos de moléculas de DNA associadas a proteínas, onde estão as instruções para o funcionamento da cada célula e as informações hereditárias.

Durante o ciclo celular, ocorre a duplicação do DNA e os cromossomas passam a ser formados por dois filamentos, chamados de cromátides-irmãs, que permanecem ligados pelo centrômero. No processo de divisão celular, as cromátides se separam e cada uma delas irá compor o material genético de uma das células - filhas.

 

 

Na extremidade dos cromossomas localizam-se os telômeros, regiões que dão estabilidade aos cromossomas.

 

Tipos de Cromossomas

A maioria das espécies que se reproduz sexualmente, ou seja, por meio da união de gametas, tem células diplóides, com cromossomas homólogos em pares. Nessa espécie, um cromossoma homólogo é de origem materna e o outro, de origem paterna.

Em algumas espécies, a diferença entre machos e fêmeas é determinada por um par de cromossoma específico que carregam as informações sobre o sexo do indivíduo, os chamados cromossomas sexuais ou heterossomos; esses cromossomas variam entre os sexos. Os cromossomas que estão igualmente presentes em machos e fêmeas são denominados autossomas. Na espécie humana, por exemplo, uma célula somática (que forma o corpo) é 2n = 46 ,sendo 44 autossomas e 2 cromossomas sexuais.

Nas diversas espécies de seres vivos, há três sistemas principais de determinação sexual cromossômica: XY, ZW e X0.

 Sistema XY: Ocorre em todos os mamíferos, em alguns insectos e plantas com sementes. As fêmeas têm um par de cromossomas homólogos, os cromossomas X. Nos machos há cromossomas diferentes, um X e um Y.

 

 Sistema X0: Ocorre em alguns insectos, como os gafanhotos. Nesse sistema, as fêmeas têm dois cromossomas X e os machos, apenas um, por isso são chamados de "xis - zero".

 

Sistema Zw: Ocorre nas aves, em diversas espécies de répteis, em algumas espécies de peixes e em algumas espécies de insectos. As fêmeas têm cromossomas sexuais diferentes, um cromossoma Z e um W. Os machos têm dois cromossomas Z. Desse modo, nesse sistema de determinação sexual cromossômica, o sexo do embrião é determinado pelo gâmeta feminino.

 

O Núcleo

O núcleo controla todas as actividades celulares: representa assim o centro de coordenação celular. É no DNA do núcleo que estão localizados a maioria dos genes, depositários da informação genética que são responsáveis pela actividade celular.

Tais informações são transmitidas ao citoplasma através do RNA - mensageiro que é sintetizado por uma série de enzimas tendo como molde o DNA (cromatina), onde irá regular através dos ribossomas toda a síntese de proteínas específicas (estruturais e enzimáticas), responsáveis pela arquitetura e fisiologia celulares.

A maioria das células eucarióticas é mononucleada (um núcleo). Existem, no entanto, células binucleadas (dois núcleos), multinucleadas (vários núcleos) e também anucleadas (não possuem núcleo). As células anucleadas possuem vida curta, pois, não havendo núcleo não há comando para a realização de suas actividades vitais.

Funções: o núcleo através dos cromossomas coordena e comanda todas as funções da célula. O núcleo também é muito importante nos processos de divisão celular. O núcleo, portanto, além de coordenar e comandar todas as funções vitais da célula é também responsável pelos processos de divisão celular.

 

1. Carioteca ou Membrana Nuclear: envolve o núcleo , separando-o do citoplasma. É uma parte modificada do reticulo endoplasmático, formada por duas membranas lipoproteicas separadas pelo espaço perinuclear. Apre-senta muitos poros, ou annulli, através dos quais ocorre a troca de macro-moléculas entre o núcleo e o citoplasma.

 

2. Nucléolo: é constituído por um tipo de RNA, chamado ribossômico (RNAr), associado a proteínas. Em um núcleo pode haver um ou mais nucléolos. É no nucléolo que ocorre a síntese de ribossomas, que posteriormente são exportados para o citosol.

3. Nucleoplasma: Líquido onde estão imersos o nucléolo e a cromatina e são acumulados produtos resultante da atividade nuclear, como RNA e Proteínas.

4. Cromossomas: entidades portadoras da informação genética.

5. Cromatina: é o conjunto de longos filamentos de DNA associados a proteínas, os cromossomas, presente no núcleo da célula que não se encontra em divisão celular. Sua principal função é conservar e transmitir as informações hereditárias codificadas no DNA.

Quando a célula não está se dividindo, os cromossomas se encontram descondensados, possibilitando a produção de RNA e, consequentemente, de proteínas.

Antes do início do processo da divisão celular, cada cromossoma se duplica, produzindo outro filamento cromossômico idêntico, e os dois permanecem unidos por uma região cromossômica, o centrômero. As cópias unidas de um cromossoma são chamadas de cromátides irmãs.

 

 

Classificação dos Cromossomos

01. Quanto à Posição do Centrômero:

 

 Telocêntrico: apresenta forma de bastão. O centrômero tem posição termi-nal.

 

Acrocêntrico: apresenta forma de bastão. O centrômero ocupa posição subterminal.

Metacêntrico: apresenta a forma de um V. O centrômero o divide em dois braços de igual tamanho.

 Submetacêntrico: apresenta a forma de um jota invertido. O centrômero o divide em dois braços de tamanhos desiguais.

 

 

 

 

02. Quanto ao Número de Centrômero:

 

Monocêntrico: apresenta um único centrômero

Policêntrico: apresenta vários centrômeros

 

03. Quanto à Função Genética:

 

Cromossoma autossômico: apresenta genes que determinam os carácteres somáticos do individuo, tais como cor da pele, cor dos olhos, tipo de cabelo, tipo sanguíneo...  Cromossomas sexuais: apresenta genes que determinam os caracteres sexuais masculinos ou femininos do indivíduo, tais como distribuição dos pelos no corpo, timbre da voz, órgãos reprodutores.

Cariótipo: é a classificação dos cromossomas levando-se em consideração o tamanho a forma e número dos mesmos nas células de indivíduos de determinada espécie;

Células quanto ao Número de Cromossomas:

(A) Células diplóides: é aquela que apresenta o número completo de cromossomas de uma determinada espécie e os cromossomas estão distribuídos em pares, formando dois conjuntos: um paterno e outro materno.

 

(B) Células haplóides: é aquela que apresenta a metade do número de cromossomas das células diplóides de uma determinada espécie. Não possui pares de cromossomas e apresenta um único conjunto de cromossomas denominado: Genoma.

Ciclo Celular

 

A capacidade de reprodução é uma das principais características que distinguem os seres vivos da matéria inanimada e depende, fundamentalmen-te, da divisão celular. Em organismos unicelulares, como bactérias e amebas, a divisão de uma célula pode ser considerada um processo de reprodução, pois leva ao aumento do número de indivíduos. Em organismos pluricelulares, a divisão celular está relacionada ao crescimento do corpo dos indivíduos, à re-generação e à produção de células reprodutivas (gametas e esporos)

O ciclo celular compreende toda a vida da célula. Nele podemos distin-guir o período em que a célula não está se dividindo interfase, e o período de divisão celular (mitose e meiose).

A Interfase: é o período do ciclo celular em que a célula não está se dividindo e no qual ocorre a duplicação do material genético celular.

 Período G1: é a fase que antecede a duplicação do material genético da célula;

 

 Período S: é a fase em que ocorre a duplicação do material genético da célula;

 

 Período G2: é a fase após a duplicação do material genético celular.

 

A Divisão Celular é um processo que leva os organismos pluricelulares ao crescimento. E está dividida em mitose e meiose.

Partindo de um ovo humano, que possui 46 cromossomas em seu núcleo, antes que ele se divida para originar novas células, há um processo de duplicação de todo o seu material. Isso implica na absorção e transformação de nutrientes de seu meio ambiente. Dessa forma, após a divisão da célula originam-se duas novas células com a mesma constituição da célula inicial. Depois as divisões prosseguem até se formar um novo indivíduo cujas células apresentam cromossomas.

 

Mitose

A mitose produz células filhas idênticas à célula mãe. Cada célula filha contém exactamente o mesmo número de cromossomas da célula mãe. Esse processo ocorre durante o crescimento de um indivíduo e nos processos de regeneração, constitui também a base de alguns processos de reprodução assexuada, como a bipartição ou cissiparidade e o brotamento.

Cariocinese  é a divisão do núcleo, que se faz através de fases.

 

Fases da divisão celular na Mitose

 

·       Prófase - Ou fase anterior (fase da "mobilização" para a acção). Os cromossomas condensam-se, tornando-se visíveis; a carioteca e os nucléolos desintegram-se; os centríolos dividem-se e dirigem-se para os pólos da célula; é formado o fuso de divisão (fibras protéicas).

 

 

 

 

Metáfase - Ou fase do meio, é a fase mais propícia para estudos da morfologia dos cromossomas, onde os mesmos apresentam o máximo grau de condensação. Os cromossomas, presos às fibras do fuso, migram para o equador do fuso, plano médio da célula. No final da metáfase, os centrômeros se duplicam e se partem longitudinalmente, de modo a deixar livres as cromátides irmãs.

 

 Anáfase - Ou fase de cima. Dois lotes idênticos de cromátides irmãs, agora como novos cromossomas, afastam-se e migram para os pólos, puxados pelos respectivos centrômeros, devido ao encurtamento das fibras do fuso.

 

 

Telófase - Ou fase do fim. Os dois cromossomas aproximam-se dos pólos e se agregam. Ocorre o inverso à Prófase: os cromossomas descondensam-se (tornando-se invisíveis); os nucléolos reaparecem; duas novas cariotecas são reconstituídas a partir das vesículas do retículo endoplasmático. Terminadas a divisão do núcleo (cariocinese), desaparecem as fibras de fuso, ocorre a distribuição dos organóides e a divisão do citoplasma (citocinese), que isola as duas células filhas. Essas células entram em intérfase e se preparam para uma nova divisão.

 

Citocinese é a divisão do citoplasma no final da mitose e da célula toda 

 

 

 

 

Meiose

Divisão Reducional - Produz células-filhas com a metade dos cromossomas da célula mãe; ocorre na formação de gametas.

Etapas da Meiose:

Prófase I - Os cromossomas condensam-se e os homólogos se juntam formando tétrades; a carioteca e os nucléolos se desintegram; os centríolos duplicam e dirigem-se para os pólos da célula; forma-se o fuso de divisão.

A prófase I- é a fase mais longa e nela ocorrem os eventos mais importantes da meiose. Subdividem-se em cinco períodos:

 

ü  Leptóteno - Os cromossomas condensam-se e tornam-se visíveis.

ü  Zigóteno - Os cromossomas homólogos juntam-se aos pares.

ü  Paquíteno - Os cromossomas tornam-se mais curtos e espessos, formando tétrades.

ü  Diplóteno - Os cromossomas homólogos iniciam a separação; podem ser observados os quiasmas, que evidenciam trocas de pedaços entre os homólogos, processo conhecido como permuta ou crossing-over.

ü  Diacinese - Os cromossomas migram para o equador da célula.

 

 Metáfase I - As tétrades se distribuem-se no equador da célula.

 Anáfase I - Os cromossomas homólogos separam-se e migram para os pólos da célula.

 Telófase I - O citoplasma se divide e formam-se duas células filhas com o mesmo número de cromossomas cada uma.

Intercinese - Curto intervalo entre as duas etapas da divisão.

 Prófase II - Os centríolos se dividem e formam-se novos fusos de divisão nas duas células-filhas.

 Metáfase II - Os cromossomas dispõem-se no equador das células.

 Anáfase II - Os centrômeros dividem-se, as cromátides irmãs se separam migrando para os pólos das células.

 Telófase II - O citoplasma se divide e os núcleos reconstituem-se nas quatro células filhas.

 

Características Diferenciais entre a Mitose e a Meiose
01	Mitose	Meiose
	Uma divisão nuclear e uma divisão citoplasmática	Duas divisões nucleares e duas divisões citoplasmática por ciclo.
02	Uma célula mãe produz duas células filhas	Uma célula mãe produz quatro células filhas
03	Os conteúdos genéticos das células – filhas são idênticos entre si e também iguais aos da célula  mãe.	Os conteúdos genéticos das células filhas diferem da célula mãe e também diferem entre si.
04	O número de cromossomas das células filhas é o mesmo que o da célula  mãe.	O número de cromossomas das células- filhas é a metade da célula-mãe.
05	Os cromossomas não entram em sinapse .	Os cromossomas entram em sinapse.
06	Não existe permutação entre os cromossomas homólogos.	Existe permutação entre os cromossomas homólogos.
07	Não há formação de quiasmas entre os homólogos.	Ocorre a formação de quiasmas entre os homólogos.
08	Produtos mitóticos geralmente são capazes de sofrer outras divisões mióticas subsequentes.	Produtos meióticos não podem sofrer outra divisão meiótica, embora possam ser submetidos à divisão mitótica.
09	Ocorre normalmente na maioria das células somáticas.	Ocorre em células germinativas, em células mãe de esporos e no zigoto de muitas algas e fungos.

 

Actividade

01. O que significa dizer que a meiose é uma divisão reducional?

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02. Qual a principal função da carioteca?

 

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03. Caracterize os tipos de cromossomas quanto à posição do centrômero.

 

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04. Em relação ao Nucléolo, responda:

 

a) Em que região da célula está localizado?

 

 

b) Qual o seu principal “produto”?

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05. O que são autossomos e cromossomos sexuais?

 

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06. Em que diferem as células haploides e diploides?

 

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07. Quais são as cinco fases da mitose?

 

 

08. O que você considera a principal diferença entre mitose e meiose?

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09. É através do envoltório nuclear que acontece a troca de substâncias entre o núcleo e o citoplasma da célula. Que característica do envoltório nuclear permite a passagem dessas substâncias?

 

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10. O óvulo e o espermatozoide são os gametas humanos. Por serem gametas, possuem 23 cromossomos. Já as outras células que formam o nosso corpo possuem 46 cromossomos. Sabendo disso, responda:

 

a) Por que os gametas são classificados como células haploides e as demais células do nosso corpo como células diploides?

 

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b) “Filho de peixe, peixinho é”, “Tal pai, tal filho”. Você deve ter ouvido pelo menos uma vez essas expressões populares. Que relação pode fazer entre elas e os genes que os nossos cromossomos abrigam?

 

Considere as alternativas a seguir, que apresenta as fases da meiose, para responder as questões de 12 a 16.

 Diacinese

 Diplóteno

 Leptóteno

 Paquíteno

 Zigóteno.

 

 

11. Em que fase os cromossomos começam a se condensar e aparecem os cromômeros?

 

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12. Em que fase ocorre o emparelhamento dos cromossomos homólogos?

 

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13. Em que fase os cromossomos homólogos formam as tétrades?

 

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14. Qual é a fase caracterizada pela visualização dos quiasmas?

 

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15. Em que fase os quiasmas parecem deslizar (migrar) para as extremidades cromossômicas?

 

 

Teorias sobre a Hereditariedade

Teoria da Protogênese e da Diferenciação celular

Após a descoberta dos gametas (células especiais para a reprodução), surgiu a teoria da protogênese ou pré-formação, segundo a qual o gameta masculino trazia no seu interior um indivíduo pré-formado denominado homúnculo. Este, após o contato com o gameta feminino, se desenvolvia e originava o indivíduo adulto.

 

Hipóteses da Pangênese e da Epigênese

A pangênese de Hipócrates

Uma das primeiras hipóteses consistentes sobre herança biológica foi proposta por Hipócrates (460-370 a.C}, filósofo grego que ficou conhecido como o pai; da Medicina. Segundo a hipótese de Hipócrates, denominada pangênese, cada órgão ou parte do corpo de um organismo vivo produzia partículas hereditárias chamadas de gêmulas, que eram transmitidas aos descendentes no momento da concepção. As gêmulas migravam para o sêmen do macho e da fêmea, sendo passadas para os filhos.

Como o novo ser era elaborado a partir das gêmulas recebidas dos genitores, isso explicava as semelhanças entre pais e filhos.

A pangênese permitia explicar a herança de características adquiridas, crença que perdurou até o século XIX, tendo entre seus adeptos Jean-Baptiste Lamarck e o próprio Charles Darwin. Ao investigar a questão da hereditariedade, no século XIX, Darwin chegou à mesma conclusão que Hipócrates, adotando a teoria da pangênese e admitindo a herança de características adquiridas, o que mais tarde trouxe críticas à sua teoria da evolução.

Darwin (1809-1882) formulou a teoria da pangênese, segundo a qual todos os órgãos e componentes do corpo produzem suas próprias cópias em miniaturas, denominadas gêmulas ou pangenes. O gâmeta masculino, contendo todas as gêmulas do pai, fecunda o gameta feminino, contendo as gêmulas da mãe, dando origem ao embrião. Na teoria da epigênese (Wolff e Baer), os órgãos surgem através de séries graduais de transfor-mações, nas quais os tecidos tornavam-se cada vez mais especializados. Portanto, tecidos e órgãos são formados ao longo do período de desenvolvimento do embrião e não encontrados pré-formados no interior dos gametas.

Lei da Herança Ancestral

Nesta teoria, as características são transmitidas através do sangue e diluídas em proporções definidas ao longo das gerações. Assim, se considerarmos o conjunto de características de um indivíduo como 1, a contribuição dos pais para este total será, em média, ½ do pai e ½ da mãe; a contribuição dos avós será, em média, ¼ da avó, e assim por diante.

 

História da biologia molecular

A descoberta do DNA

Em muitos aspectos a história da biologia molecular se confunde com a

descoberta do ácido desoxirribonucleico (DNA) e de sua importância na

transmissão de informações entre gerações. Não é de hoje que os cientistas tentam entender as diferentes características de cada espécie. A enorme variedade de seres, desde indivíduos minúsculos até animais de grandes dimensões, tem intrigado e maravilhado muitos pesquisadores. Porém o mundo científico teve de esperar até 1858 para que Charles Darwin (1809-1882) e Alfred Russel Wallace (1823-1913) descrevessem, separada e concomitantemente, suas teorias da evolução das espécies. Essas teorias concebem a evolução das espécies como um processo pelo qual o indivíduo mais adaptado ao meio sobrevive, e aquele que não consegue se adaptar a determinada mudança do ambiente termina por se extinguir. Tais mudanças

seriam geradas por mutações adaptativas?

Somente após a segunda metade do século XIX surgiram as primeiras conclusões sobre a perpetuação das características hereditárias dos seres, baseadas no estudo desenvolvido pelo monge austríaco Gregor Mendel (1822-1884). Suas teorias evolutivas, resultado de estudos realizados com ervilhas, constituem o marco inicial da genética, e seus conceitos são até hoje estudados. Mendel introduziu o conceito de genes – chamados por ele de fatores – e a ideia de que eles eram herdados em pares: um gene materno e outro paterno, sendo as características da prole recessivas ou dominantes em relação às características dos pais.

Anos mais tarde, Friedrich Miescher (1844-1895) isolou um tipo de molécula encontrada no núcleo de linfócitos, ao qual denominou nucleína. A nucleína tinha características ácidas e era solúvel em soluções alcalinas diluídas.Miescher também determinou a composição química dessa molécula, que seria rica em oxigênio, nitrogênio e fósforo. Mais tarde, a natureza ácida da nucleína serviria de base para a denominação ácidos nucleicos. Entre 1882 e 1885, Walther Flemming (1843-1905) e Eduard Strasburger (1844-1912), em estudos sobre estruturas celulares, descobriram estruturas em forma de bastão no núcleo das células e as chamaram de cromossomos, pois eram estruturas intensamente coradas.

 

Poucos anos mais tarde, Theodor Boveri (1862-1915) observou que o número de cromossomos das células germinativas, em determinado estado de sua maturação, era reduzido à metade. Essa observação permitiu elucidar o fenômeno de união dos gametas para criarem uma célula somática do organismo em formação, reforçando ainda mais a teoria de Mendel.

Em 1909, o termo gene foi introduzido por Wilhelm Johannsen (1857-

1927) para designar a unidade mendeliana antes conhecida como fator, designando os termos genótipo para as características genéticas do indivíduo e fenótipo para se referir ao seu aspecto externo. Baseado no estudo que fez com a mosca-das-frutas (Drosophila melanogaster), o pesquisador Thomas Hunt Morgan (1866-1945) publicou, em 1915, o livro O mecanismo da hereditariedade mendeliana, em que afirmava representarem os genes regiões dos cromossomos responsáveis pelas características inatas do indivíduo. Curiosamente, esse trabalho teve o auxílio de Alfred Sturtevant (1891-1970), um aluno de Morgan que, ao ler os trabalhos de Mendel, inicialmente não lhes dera muito crédito.

A partir do trabalho de Thomas Hunt Morgan, passou-se a aceitar que os cromossomos estocavam muitos genes, e que os genes guardavam as informações passadas à progênie.

Em 1923, Robert Feulgen (1884-1955) demonstrou, por meio de técnicas de coloração específicas para o DNA, que o mesmo estava ligado intimamente aos cromossomos. Contudo, até então não se sabia da importância da molécula do DNA na transmissão das

informações de um indivíduo para outro.

Até o início do século XX, as biomoléculas mais estudadas foram as proteínas, pois seu isolamento era mais simples do que o de outras biomoléculas, e a cada ano eram obtidas mais informações sobre proteínas do que sobre qualquer outra biomolécula existente na célula. Por isso, era de se esperar que a transmissão de informações de pais para filho, processo muito importante para a manutenção da espécie, fosse feita por meio dessas moléculas tão complexas, as proteínas.

Esse paradigma só foi quebrado em 1928, quando Frederick Griffith (1879-1941) introduziu o conceito de transformação com base em seus experimentos com pneumococos, bactérias causadoras da pneumonia. Nesse experimento, Griffith utilizou dois tipos de bactérias: o Pneumococcus do tipo S (do inglês smooth, que significa liso), que possui superfície lisa em decorrência de uma cobertura de polissacarídeo – o que o torna extremamente virulento –, e o Pneumococcus do tipo R, assim chamado por possuir a superfície rugosa (rough em inglês) e não ter cobertura polissacarídica, não sendo virulento.

Ao inocular a bactéria R viva e a bactéria S morta, o camundongo morria.

Griffith concluiu então que havia algum fator na bactéria S que “transformava” a bactéria R em S. Essa conclusão foi confirmada quando Griffith observou, nos camundongos mortos, a presença de colônias de bactérias S vivas. Como elas eram mortas por meio do uso de calor, que desnatura proteínas, era lógico supor que o material que transmitia essa informação não era uma proteína. Pesquisadores contemporâneos de Griffith concluíram que a substância capaz de estimular essa “transformação” devia ser o material genético dos Pneumococci

do tipo S, que readquiriam a sua virulência.

Alguns anos após o experimento de Griffith, pesquisadores repetiram os

seus experimentos utilizando separações que continham apenas DNA, carboidratos, proteínas ou lipídios. Constatou-se que somente a porção com DNA era capaz de transformar as bactérias, e que o DNA perdia essa capacidade quando tratado com enzimas DNAses. Tais experimentos confirmaram a teoria de Griffith e deram grande credibilidade aos seus experimentos. Em 1931, Phoebus Aaron Theodor Levene (1869-1940) identificou que bases nitrogenadas, açúcar e fosfato formavam as estruturas básicas dos ácidos nucleicos, afirmando que esses ácidos eram polímeros. Foi ele também que descreveu as diferenças entre o ácido ribonucleico (RNA) e o DNA, sendo

essa nomenclatura amplamente utilizada após suas pesquisas.

Em 1952, Alfred Hershey (1908-1997) e Martha Chase (1927-2003)

estavam utilizando em seus experimentos um tipo de vírus, denominado fago, capaz de infectar bactérias. No experimento, que ficou conhecido como “experimento do liquidificador”, eles marcaram duas culturas de fagos.

 

 

 

Uma delas foi marcada com enxofre radioativo, que se incorporou às proteínas, e a outra, com fósforo radioativo, que se incorporou ao DNA. Posteriormente, incubaram culturas de Escherichia coli com os fagos para que as bactérias se contaminassem com os vírus; em seguida, liberaram os vírus das células bacterianas, utilizando um liquidificador. Com isso, as cápsulas virais, por serem mais leves, localizavam-se no sobrenadante e as bactérias, no precipitado. Hershey e Chase perceberam que grande parte do fósforo se encontrava no precipitado

e que a maior parte do enxofre estava no sobrenadante, e concluíram que o material infectante era o DNA do vírus injetado dentro das células bacterianas.

Após esse experimento, houve uma grande “corrida científica” para descobrir a estrutura do DNA. Utilizando a técnica de cromatografia, Erwin Chargaff (1905-2002) verificou que havia uma relação quantitativa entre as bases nitrogenadas do DNA: a quantidade de adenina era proporcional à quantidade de timina (T), assim como a de citosina (C), à de guanina (G). Esses dados foram posteriormente denominados postulados de Chargaff e seriam muito importantes na descoberta da estrutura do DNA.

Em 1953, os pesquisadores James Dewey Watson (1928) e Francis Harry Compton Crick (1916-2004) publicaram trabalho em que elucidaram a estrutura do DNA, utilizando para isso dados das pesquisas de Rosalind Franklin (1920-1958) e Linus Pauling (1901-1994). Por meio da difração de raios X, Rosalind obteve excelentes imagens do DNA que mostravam com grande precisão as dimensões da molécula: a estrutura era formada por uma espiral de 20 A, a distância entre as bases dispostas paralelamente ao eixo helicoidal era de 3,4 A e o valor da altura de um giro da espiral cristalizada era de 34 A.

 Pauling descreveu inicialmente um modelo para o DNA no qual as bases nitrogenadas estavam voltadas para o lado externo da molécula e os fosfatos, voltados para o interior da espiral. Watson e Crick viram que o DNA era uma espiral, mas as bases não poderiam ser externas à molécula por proporcionar características básicas ao DNA. Além disso, se os grupos fosfato estivessem tão próximos uns dos outros no interior da estrutura seriam repelidos, fazendo-a instável.

Utilizando essas informações, Watson e Crick descreveram a molécula de DNA como uma espiral na qual as bases nitrogenadas são ligadas entre si internamente (timina com adenina e citosina com guanina) e os grupos fosfato, carregados negativamente, estão voltados para fora da molécula. O corpo da molécula é constituído por polímeros de base nitrogenada açúcar-fosfato, e as ligações entre eles, denominadas ligações fosfodiéster, ocorrem na direção 3’-5’.

A elucidação da estrutura do DNA representou um marco na biologia, sendo responsável pelo surgimento da biologia molecular. Originada na bioquímica e na genética, a biologia molecular, principal ferramenta na actualidade para a elucidação e o aperfeiçoamento da vida, é a ciência do século XXI e seguramente ainda tem potencial para auxiliar o ser humano.

 

A estrutura dos ácidos nucléicos

O DNA, assim como o RNA, é um polímero formado por vários nucleotídeos ligados entre si. Os nucleotídeos são formados por uma base nitrogenada, um açúcar e um radical de ácido fosfórico. Graças ao ácido fosfórico, os ácidos nucléicos têm propriedades ácidas e possuem carga negativa quando em pH neutro ou alcalino.

 

Os nucleotídeos se ligam por meio de ligações fosfodiéster que ocorrem

entre a hidroxila do carbono 5’ da pentose e a hidroxila do carbono 3’ do

nucleotídeo seguinte.O DNA é formado por duas fitas de nucleotídeos; já o RNA é formado por uma única fita. Existe interacção entre as duas fitas de DNA: por intermédio de pontes de Hidrogénio entre as bases e por interacções hidrofóbicas.

As pontes de Hidrogénio ocorrem entre as bases timina (T) e adenina (A) e entre a citosina (C) e a guanina (G). Entre a timina e a adenina, existem duas pontes de hidrogénio; entre a citosina e a guanina existem três. Essas ligações ocorrem por causa das dimensões moleculares das bases nitrogenadas e de seus radicais, assim como em decorrência do posicionamento dos grupos que formam as pontes de Hidrogénio.

Isso significa que as duas fitas de DNA são complementares entre si, sendo esse fato importante no momento da transmissão de informação. Outra forma de interacção ocorre por meio das interacções hidrofóbicas entre os anéis heterocíclicos das bases. Essa interacção faz que a parte interna das fitas seja apolar e, em um ambiente aquoso, ela favorece a interacção entre a dupla fita.

 

Biologia Molecular

O século XX caracterizou-se por uma nova visão da Biologia, construída a partir da compreensão dos eventos moleculares intracelulares, registrando estruturas celulares em dimensões submicroscópicas. Impulsionada por um novo aparato instrumental, foi possível caracterizar as moléculas biológicas com uma precisão sem precedentes.

Essa nova compreensão da Biologia foi fundamental para elucidar diversos aspectos do funcionamento celular e principalmente da hereditariedade, des­cortinando um universo surpreendente e fascinante. Atualmente a Genética Molecular é uma das áreas mais efervescentes da ciência.

A compreensão da diversidade biológica como um conjunto de variações sobre um mesmo tema, a vida, leva naturalmente à busca de atributos com­partilhados pelos seres vivos. A pesquisa biológica revelou, de fato, uma uni­dade desconcertante na diversidade da vida, na forma da universalidade do DNA como memória genética (com exceção dos vírus de RNA, se forem consi­derados vivos), na quase universalidade do código genético, no compartilha­mento de vias metabólicas básicas etc.

O sequenciamento, o isolamento e a clonagem de genes, a organização e a caracterização de alterações no genoma, o desenvolvimento de organis­mos transgênicos, o isolamento e a purificação de outras biomoléculas e a determinação da estrutura de proteínas representam algumas das inúmeras questões que só foram detectadas e/ou esclarecidas por meio de metodolo­gias que essa ciência possibilitou desenvolver com a finalidade de desvendar a natureza mais íntima dos processos biológicos, impulsionando pesquisas em várias outras áreas do conhecimento. A Genética Molecular se fortaleceu pela colaboração de bioquímicos e de biólogos moleculares, e vem se consolidando como uma das principais áreas científicas do século XXI.

 

História da Genética

Os conceitos fundamentais de genética começaram a se defi­nir com Mendel, em 1868, com suas conclusões acerca da perpe­tuação das características hereditárias. A partir de experimentos realizados com ervilhas, deduziu que os fatores responsáveis pela hereditariedade ocorriam aos pares. Verificou também que as pro­porções observadas nos descendentes eram compatíveis com a distribuição binomial.

Outra contribuição importante foi de Friedrich Miescher, que, em 1869, investigando a composição química de células humanas (obtidas de curativos purulentos − linfócitos), isolou uma substân­cia proveniente do núcleo que denominou nucleína, caracterizan­do sua constituição química (oxigênio, nitrogênio e fósforo). Mas a função celular dessa molécula não foi esclarecida.

Paralelamente, estudos citológicos, realizados pelo próprio Mies­cher, caracterizaram o núcleo como um componente importante para a continuidade da célula. Também foram reconhecidas estru­turas dinâmicas nas células, denominadas cromossomos, que se in­dividualizam na divisão celular, estando associados à perpetuação da célula. Foram caracterizados os processos de mitose e meiose.

A partir de 1900, quando as leis de Mendel foram redescober­tas, diversas características com herança mendeliana foram iden­tificadas em diversos organismos. Também começaram a surgir evidências de que as características mendelianas estariam relacio­nadas a enzimas, fundamentando o conceito “um gene, uma enzi­ma”. O interessante é que esses conceitos poderiam ser aplicados a qualquer organismo, sendo um ponto de convergência importante para a Biologia. A descoberta dos microorganismos veio potenciar essa investigação, proporcionando a oportunidade de caracterizar o material hereditário.

A contribuição de Archibald Garrod (1902) foi fundamental para a genética humana. Esse médico inglês interessou-se por uma doen­ça rara, a alcaptonuria, cujo sintoma mais pronunciado era a cor da urina, que se tornava escura quando exposta ao ar, sugerindo tratar-se de um erro no metabolismo, pela disrupção de uma via bioquí­mica. Embora essa condição fosse rara na população, era freqüente entre filhos de pais consangüíneos, sendo assim explicada pelas leis de Mendel. Essa foi a primeira conexão causal entre genes e seu efei­to fisiológico. Os genes de certa forma controlam processos metabó­licos, de maneira que um erro – mutação – pode resultar numa rota metabólica alterada. Outros exemplos logo foram descritos. Atual­mente mais de 5.000 condições com herança mendeliana são conhe­cidas em humanos e estão agrupadas na base de dados OMIM.

A relação entre deficiência metabólica e características genéti­cas foi demonstrada em experimentos realizados na levedura Neu­rospora, por Beadle e Tatum em 1941, corroborando a idéia de que os genes deveriam ser enzimas.