Biodesafios Programa de Biologia – 12.º ano Novo programa A BIOLOGIA E OS DESAFIOS DA ACTUALIDADE

U2 – Património genético e alterações do material genético U1 – Processos reprodutivos U3 – Imunidade e controlo de doenças U4 – Produção de alimentos e sustentabilidade U5 – Preservar e recuperar o meio ambiente

Património genético e alterações Biodesafios Património genético e alterações do material genético U2

Biodesafios Biodesafios U2 U2 Situação Problemática Património genético e alterações do material genético Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Que desafios se colocam à genética no melhoramento da qualidade de vida? Situação Problemática Cap. 1.1. Transmissão das características hereditárias Cap. 1.2. Organização e regulação dos genes Como se encontra organizado o material genético, e que mecanismos de regulação actuam? Como são transmitidas as características dos progenitores à descendência? Que tipo de modificações podem ocorrer nos genes que herdamos? Cap. 2.1. Mutações Como modificar os genes que herdamos? Cap. 2.2. Fundamentos de Engenharia Genética Os genes que herdamos podem sofrer alterações? Essencial para compreender

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Como explicar a transmissão das características à descendência? Carácter – cor da semente; Característica – semente lisa ou enrugada. 1.ª Lei de Mendel F1 – 100% sementes lisas; existência de características dominantes. A IMAGEM DA ESQUERDA TEM UM ERRO NA PROPORÇÃO DE ERVILHAS LISAS E RUGOSAS – ALTERAR QUANTO ANTES Duas características na geração F2 (proporção): 3dominantes/1recessiva.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Transmissão de duas características – diibridismo 2.ª Lei de Mendel Alelos de genes diferentes sofrem segregação independente. O estudo da meiose permite compreender facilmente a segregação independente entre os alelos de genes localizados em cromossomas diferentes, percepcionando a geração das possíveis combinações. Explica o aparecimento da proporção 9:3:3:1, com a geração de fenótipos recombinantes.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Transmissão das características hereditárias Como prever o aparecimento de uma característica na geração seguinte, determinando o carácter hereditário de uma doença? Doença recessiva A doença manifesta-se com uma alternância de gerações. Os pais não afectados podem originar filhos afectados. O fenótipo ocorre de igual forma nos dois sexos. Reduzido número de indivíduos afectados. Doença dominante A doença manifesta-se num elevado número de descendentes e geralmente em todas as gerações. Um dos progenitores tem de estar afectado para a descendência ser afectada. O fenótipo ocorre de igual forma nos dois sexos. Os heterozigóticos são afectados.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Excepções às leis de Mendel: dominância incompleta e co-dominância Dominância incompleta O fenótipo é intermédio, não ocorrendo a mistura dos fenótipos parentais nos heterozigóticos. Co-dominância Expressão de ambos os alelos de um dado gene. No sistema ABO, os indivíduos com os alelos A e B, apresentam os antigenios A e B à superfície das membranas dos glóbulos vermelhos. É um facto importante nas transfusões sanguíneas.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Transmissão das características hereditárias Excepções às Leis de Mendel: alelos letais e poligenia Alelos letais A combinação de determinados alelos pode originar fenótipos mortais. No caso dos humanos, são conhecidos poucos alelos letais, sendo a doença de Huntington um dos exemplos. Poligenia Diversas características são determinadas por vários genes em simultâneo, que interagem entre si, como por exemplo: sistema sanguíneo (ABO/RH, etc); determinação da cor do pêlo dos mamíferos. Verificar se a imagem dos ratos está corrigida!!!!

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Excepções às Leis de Mendel: linkage (ligação factorial) Hereditariedade ligada ao sexo (mosca) Hereditariedade ligada ao sexo (Homem) Quando um dado gene se localiza no cromossoma X, podemos verificar que: surge com maior frequência nos machos; um macho apenas transmite as características às filhas, que se tornam portadoras, podendo-as transmitir a todos os seus descendentes.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Organização e controlo dos genes Como se encontra organizado o material genético? Procariontes Eucariontes Um único cromossoma circular, de elevadas dimensões. O DNA encontra--se estabilizado por histonas. Esta molécula de enorme dimensão é enrolada e empacotada no núcleo, ficando protegida da acção negativa de muitas enzimas da célula que degradariam o DNA.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Como se encontra organizado o material genético? Eucariontes Os cromossomas são formados pela cromatina, composta pelo DNA e pelas proteínas associadas. O seu estado de compactação pode variar, de acordo com o organismo, o tipo de célula e o seu estádio de desenvolvimento.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Organização e regulação dos genes Como se encontra organizado o material genético - material extranuclear? Material extranuclear Presente nas mitocôndrias e nos cloroplastos. O material genético encontra-se em diversos cromossomas circulares, cujo processo de replicação é independente do material nuclear. Codificam para proteínas associadas ao metabolismo de cada organelo, embora dependam do núcleo, pois a maioria das suas proteínas ou subunidades são expressas a partir de genes nucleares.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Qual é a importância da sequenciação dos genomas? A dimensão do genoma não reflecte o grau de complexidade do organismo, pois muito do DNA não codifica para proteínas. A sequenciação do genoma humano é apenas o início, pois não fornece todos os dados acerca do funcionamento e regulação dos genes. Permitirá obter dados importantes para o diagnóstico antecipado de doenças e respectivos tratamentos.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Qual é a vantagem de elaborar cariótipos? Homem Porco Mosca Mapeamento dos genes (localização). Detecção de anomalias cromossómicas. Distinção das diferentes espécies.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Organização e regulação dos genes Que mecanismos regulam a expressão do material genético? É o principal nível de regulação, pois permite controlar a expressão dos genes, evitando o gasto de energia e compostos para a célula. As modificações no processamento do RNA permitem controlar a produção final de proteínas. A síntese de uma nova proteína pode ser controlada ao nível da transcrição, aumentando ou diminuindo a eficiência deste mecanismo. Inclui todos os mecanismos que provocam alterações na funcionalidade da proteína após esta ser formada.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Regulação da expressão génica: controlo da transcrição A cromatina condensada não permite a ligação da RNA polimerase. A descondensação, em que ocorre desenrolamento da estrutura, permite o acesso da RNA polimerase, com a síntese de RNA mensageiro. Elementos promotores são essenciais à ligação da RNA polimerase. Indutores e promotores podem afectar a afinidade da RNA polimerase para se ligar ao DNA.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Regulação da expressão génica: controlo da transcrição Gene que codifica a proteína repressora. O promotor permite a ligação da RNA polimerase. O repressor liga-se ao operador impedindo a transcrição. Os genes estruturais que codificam para proteínas associadas ao metabolismo da lactose não são transcritos. O repressor possui uma região que permite a ligação à lactose. Na ausência desta, o repressor está activo e liga-se ao operador.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Regulação da expressão génica: controlo da transcrição O promotor permite a ligação da RNA polimerase. O operador fica livre, permitindo a transcrição. Na presença de lactose o repressor é inactivado. Transcrição dos três genes em simultâneo (operão): resposta rápida a variações das condições ambientais; controlo essencial para optimizar os gastos de energia e de compostos.

Alteração do modo de leitura Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Que tipo de modificações podem ocorrer nos genes que herdamos? Mutações Génicas Cromossómicas Alteração num único gene, devido a pequenas modificações nos nucleótidos Alteração da estrutura dos cromossomas, ou do seu número, afectando muitos genes Silenciosa Perda de sentido Sem sentido Alteração do modo de leitura Deleção Duplicação Inversão Translocação

Mutação com perda de sentido Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Mutações génicas Mutação silenciosa Não provoca modificações na síntese de aminoácidos. Mais frequente no 3.º nucleótido de cada codão, pois o código genético é redundante. Mutação com perda de sentido Ocorre a síntese de um outro aminoácido. Pode afectar a funcionalidade da proteína e causar graves problemas.

Alteração do modo de leitura Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Mutações génicas Mutação sem sentido A alteração num nucleótido provoca a mudança do aminoácido sintetizado originando um codão STOP, com a formação de uma proteína com dimensões inferiores. Alteração do modo de leitura Ocorre a introdução ou deleção de um nucleótido, com a modificação da leitura, pois os codões sofrem profundas alterações, com graves consequências na proteína final.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Mutações cromossómicas estruturais Inversão Remoção de um fragmento de DNA que é inserido numa posição invertida no mesmo cromossoma. Translocação Troca de um segmento entre cromossomas não homólogos, que afectam a expressão dos genes com graves consequências. Deleção Perda de um fragmento do cromossoma, geralmente nas regiões terminais. Duplicação Aparecimento de duas cópias de uma dada região cromossómica, estando frequentemente associada à deleção.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Mutações cromossómicas numéricas Monossomia Ausência de um cromossoma homólogo (2n-1). Trata-se de uma mutação pouco frequente e que poderá ser letal, dependendo do cromossoma em questão. Trissomia Ocorrência de um cromossoma extra num par homólogo (2n+1). Pode ser viável, com problemas no desenvolvimento. A trissomia 21 é o exemplo mais conhecido.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Mutações cromossómicas numéricas As mutações aneuplóides estão associadas a erros durante a disjunção dos cromossomas na meiose (formação de gâmetas). Aneuploidias Trissomia (2n+1) Tretrassomia… Diminuição do n.º de cromossomas Aumento do n.º de cromossomas Nulissomia (2n-2) Monossomia (2n-1)

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Mutações na linha somática e germinativa Mutações somáticas – afectam as células do organismo transmitindo a mutação apenas às células filhas descendentes. Mutações germinativas – afectam a formação dos gâmetas, sendo transmitidas à descendências caso o gâmeta afectado participe na fecundação.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Causas das mutações – oncogénese Os cancros podem originar-se pela existência de genes promotores de crescimento desregulados ou genes supressores de tumores inactivos. Os raios UV e os raios X são agentes mutagénicos, pois provocam o aumento do número de genes mutatos, com graves consequências para a saúde humana, podendo provocar cancro.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Importância das enzimas de restrição Selecção do gene de interesse. Corte do gene de interesse e do vector com a mesma enzima de restrição. Formação de extremidades que se podem emparelhar por complementaridade, formando pontes de H. Adição da ligase para ligar covalentemente as duas moléculas, formando um rDNA.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Inserção do DNA recombinante num vector Formação de fragmentos, para seleccionar o gene de interesse e inserir o DNA num vector. O choque térmico permite a entrada do plasmídeo na bactéria. Só as bactérias com o plasmídeo sobrevivem, pois é este que confere resistência ao antibiótico que se coloca no meio. As bactérias multiplicam-se, copiando o DNA de interesse, que pode ser posteriormente extraído para diversos fins (estudos laboratoriais).

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Produção de cDNA Extracção do RNAm presente numa célula, e que representa todos os genes que são expressos. Adição de um iniciador para formar um segmento e cadeia dupla que permita a síntese de uma cadeia de DNA por complementaridade pela transcriptase reversa. Adição de um iniciador para a DNA polimerase. Síntese de DNA por uma polimerase, formando um DNA em cadeia dupla.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Aplicações da Engenharia Genética Isolamento do gene humano para a produção de insulina. A insulina pode ser administrada, com diminuição dos riscos e complicações de saúde. As bactérias produzem elevadas quantidades de insulina pura e a custos reduzidos. Clonagem do gene num plasmídeo e inserção numa bactéria. Também permite o estudo laboratorial dos genes humanos.

Biodesafios U2 Património genético e alterações do material genético Mutações: alterações do material genético Aplicações da Engenharia Genética – OGM Os animais e as plantas transgénicos são utilizados na investigação científica, e possuem elevados impactos económicos. Os animais estão a ser modificados para produzirem proteínas de interesse e com maiores rendimentos de produção na pecuária e menores impactos ambientais, pois passam a aproveitar melhor os alimentos digeridos e a eliminar menos compostos nos dejectos. As plantas estão a ser modificadas para aumentarem a sua produção, por melhoramentos na resistência a patogenes e factores abióticos, como o sal, a seca, etc. Constituem importantes fornecedores de substâncias terapêuticas.