1. Os cromossomos contêm o DNA, que é constituído por nucleotídeos. O DNA armazena as instruções genéticas para a construção e funcionamento de todos os organismos vivos.
1. Dra. Adriana Cibele de Mesquita Dantas
Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia
UERGS, Bento Gonçalves, RS
2. Taxonomia e evolução
•classificação de organismos é um aspecto fundamental de biologia
• noção consistente que um esquema de classificação deveria refletir a ‘ordem natural '
• inicialmente era considerado que Deus era o princípio de ordenação
• Darwin enfatizou que o princípio de ordenação deveria ser compartilhado descida de
antepassados comuns
Species Plantarum - 1753
Carl Linnaeus introduziu
o binômio
(gênero-espécies)
sistema de classificação-
“ad majorem Dei gloriam”
(para a maior glória de
Deus)
Classificação de planta
baseado
somente em órgãos
sexuais
Origin of Species - 1859
7. Genética Mendeliana
• Gregor Mendel (1822-1884), monge
austríaco, é considerado o “pai da
genética”.
• Desenvolveu seus trabalhos com
plantas de ervilha (Pisun sativum)
observando a transmissão
hereditária de várias características.
• Em 1865 publicou o artigo
"Experiments with Plant Hybrids"
que foi ignorado.
• A partir de 1900 vários
pesquisadores confirmaram seus
resultados.
• Suas duas leis ainda hoje são base
para os estudos genéticos.
8. Por que ervilhas?
• Fácil cultivo em canteiros.
• Várias características contrastantes
e de fácil observação.
• Ciclo vital curto e grande número de
descendentes (sementes).
• Predomina reprodução por
autofecundação, portanto linhagens
naturais são puras.
9. 1a Lei de Mendel
“Pureza dos Gametas”
“As características dos
indivíduos são condicionadas
por pares de fatores (genes),
que se separam durante a
formação dos gametas, indo
apenas um fator do par para
cada gameta”.
12. G. Mendel
As características herdadas dos
pais não se fundem, mas são
herdadas como unidades
discretas de informação que se
mantêm íntegras ao longo das
gerações
Gene
Unidade de informação que transmite
as características hereditárias de uma
geração para a seguinte
13. Conceito Gerais
• Gene: fragmento de DNA que pode ser
transcrito na síntese de proteínas.
• Locus (Loco): local, no cromossomo, onde
se encontra o gene.
• Alelos: genes que ocupam o mesmo locus
em cromossomos homólogos.
• Homólogos: cromossomos que possuem
genes para as mesmas características.
14. •Genótipo: conjunto de genes de um
indivíduo.
•Fenótipo: características observáveis de
uma espécie, que são determinadas por genes
e que podem ser alteradas pelo ambiente
•Gene Letal: com efeito mortal.
15. •Gene Dominante: aquele que sempre que está
presente se manifesta.
•Gene Recessivo: aquele que só se manifesta na
ausência do dominante.
•Homozigoto ou Puro: indivíduo que apresenta
alelos iguais para um ou mais caracteres.
•Heterozigoto ou Híbrido: indivíduo que apresenta
alelos diferentes para um ou mais caracteres.
16. • Os caracteres biológicos são determinados
por GENES ou FATORES ( segundo Mendel )
existentes nos CROMOSSOMOS e são
transmitidos de uma geração para outra
por meio dos GAMETAS durante a
reprodução.
• Os genes que o indivíduo possui para uma
determinada característica constituem o
GENÓTIPO, e o referido CARÁTER em
interação com o meio constitui o
FENÓTIPO.
17. MODELO DO DNA:
• Watson e Crick propuseram, em
1953, um modelo de molécula de
DNA, que seria em DUPLA HÉLICE
e em ESPIRAL, com duas cadeias
de nucleotídeos ligados por
PONTES DE HIDROGÊNIO.
18. Informações disponíveis, quais eram:
1- a molécula de DNA era grande, longa, fina e composta de nucleotídeos:
adenina; guanina; timina e citosina;
2- Os estudos de difração de raios X, realizados por Maurice King e
Rosalind Franklin sugeriam a forma helicoidal;
3- Linus Pauling (1950), descreveu a estrutura helicoidal com um
filamento mantida por pontes de hidrogênio em proteínas e sugeriu
que o mesmo pudesse ocorrer com o DNA;
4- Erwin Chargaff havia demonstrado que a proporção entre os
nucleotídeos A e T era de 1:1, o mesmo acontecendo entre G e C.
20. DNA ou ADN
O Ácido
Desoxirribonucléico é um
polinucleotídeo formado
por duas “fitas” ou hélices
ligadas entre si por pontes
de hidrogênio entre as bases
nitrogenadas.
O pareamento das bases
sempre segue a mesma
ordem: Adenina com Timina
e Guanina com Citosina.
21. Ligações entre Nucleotídeos
Polímero longo:
Base
1 1. A ligação entre a base
Pentose nitrogenada e a pentose é
feita covalentemente através
de uma ligação N-glicosídica
com a hidroxila ligada ao
carbono-1 da pentose.
4 1
2
2 •2. Os nucleotídeos são
unidos por ligações
fosfodiéster covalentes que
ligar o carbono 5´de um grupo
desoxirribose (pentose + base)
ao carbono 3´do próximo
22. • James Watson e
Francis Crick (1953)
• um modelo de
molécula de DNA, que
seria em DUPLA
HÉLICE e em ESPIRAL,
com duas cadeias de
nucleotídeos ligados
por PONTES DE
HIDROGÊNIO.
23. Portanto:
:
1) ÁCIDOS NUCLEICOS são
compostos por nucleotídeos ligados
entre si através de ligação covalente.
2) NUCLEOTÍDEOS são as unidades
fundamentais dos ácidos nucleicos.
Cada nucleotídeo é constituído por
um grupo fosfato, uma pentose e uma
base.
Purinas: Adenina, Guanina
BASES
DNA ≠ RNA Pirimidinas: Citosina, Timina, Uracila
25. A Importância do DNA
-Transportar muita informação, de célula para célula e de geração
para geração;
-Capacidade de produzir cópias exatas de si mesmo, pois os
cromossomos são copiados em cada divisão celular;
-Capacidade de “replicar erros” de cópia, como se fossem o gene
original;
-Apresenta mecanismo de decodificação da informação
armazenada, traduzindo-as através da produção de
enzimas/proteínas;
-O DNA é chamado de “molécula da vida” pois contém o código
pra construção das proteínas em todos os seres vivos;
-Nos eucariontes, o DNA é encontrado no núcleo celular formando
os cromossomos e também nas mitocôndrias e nos cloroplastos;
-Nos procariontes encontra-se uma molécula de DNA circular
(cromossomo bacteriano) e outras moléculas circulares chamadas
plasmídeos;
27. O RNA ou ARN
O Ácido Ribonucléico é um polinucleotídeo que difere do DNA
em três aspectos básicos:
DNA
• O açúcar é uma
Ribose;
A-T
T-A • É formado, geralmente,
G-C
C-G por uma fita simples
que pode enrolar-se;
• Não existe a base
pirimídica Timina e no
RNA
seu lugar se encontra a
A-U
base Uracila.
U-A • Os pareamentos
G-C
C-G seguem a ordem A-U e
G-C).
28. Tipos de RNA
• RNAm O RNA mensageiro é formado no núcleo e
contém a “mensagem” - o código transcrito a partir do
DNA - para a síntese das proteínas. Cada conjunto de três
nucleotídeos no RNAm é chamado de CÓDON.
• RNAt O RNA transportador está presente no
citoplasma e é responsável pelo transporte dos
aminoácidos até os ribossomos para a síntese protéica.
No RNAt existe uma seqüência de nucleotídeos
correspondente ao códon chamada de ANTI-CÓDON.
• RNAr O RNA ribossômico ou ribossomal faz parte da
estrutura dos ribossomos e participa do processo de
tradução dos códons para construção das proteínas.
31. Aminoácidos
Glicina Cisteína Glutamina
Alanina Serina Asparagina
Leucina Tirosina Fenilalanina
Isoleucina Metionina Triptofano
Valina Treonina Ac. Aspártico
Histidina Lisina Ac. Glutâmico
Prolina Arginina
Proteína
aa aa aa aa aa aa aa aa
40. TRANSCRIÇÃO
Promotor: Região que sinaliza o início da transcrição
(Sequências específicas do DNA reconhecidas pelos fatores de
transcrição (proteínas) e pela RNA polimerase)
“Sequência consenso”
41. ORGANIZAÇÃO GENÔMICA DE EUCARIONTES
cromossomo de 1,5 x 108 pb, contendo ~ 3.000 genes
0,5% do cromossomo, contém ~ 15 genes
1 gene de 105 pb
Seqüência regulatória
Transcrição DNA
Transcrito de RNA primário Seqüência de
intron
Seqüência de exon
42.
43. ORGANIZAÇÃO GENÔMICA DE PROCARIONTES E
EUCARIONTES
PROCARIONTES Archaebacteria
Eubacteria
Cianobactérias
EUCARIONTES Protistas
Fungos
Vegetais
Animais
VÍRUS DNA Vírus
RNA Vírus
44. ORGANIZAÇÃO GENÔMICA DE EUCARIONTES
-Envoltório Nuclear (Carioteca)
-Cromatina (Eucromatina, heterocromatina)
- Vários cromossomos diplóides
-DNA linear, dupla fita
-Complexado com proteínas (Histonas e não histonas)
- Grande parte do DNA não é codificado (íntrons e éxons)
Funções:
- condensação,
-pode influenciar na atividade
celular
45. ORGANIZAÇÃO GENÔMICA DE PROCARIONTES
Escherichia coli - 1 cromossomo (DNA circular, dupla fita)
Elementos genéticos móveis (plasmídeo, bacteriófagos, transposons)
- Cromossomo e Plasmídeo possuem
replicação independente
- Organização genômica mais simples,
compactação com proteínas
- Quase todo o DNA é codificante
- Os genes são organizados em “Operons”
- Os genes de um operon são transcritos
em um único RNAm (policistrônico)
46. Síntese de DNA em Procariontes
Origem da replicação
Forquilhas
de
replicação
O ponto de origem da
replicação é denominado oriC.
Fitas novas
Fitas velhas
A replicação é bidirecional:
as duas fitas se separam na
origem, sendo, a partir daí,
copiadas simultaneamente em
direções opostas.
48. DNA
CTC ATT GTG CTT GAA TTT TTG GTG
mRNA
GAG UAA CAC GAA CUU AAA AAC CAC
Proteína
aa aa aa aa aa aa aa aa
49. O que são os cromossomos e o que eles contém?
Contem o DNA que é constituído por nucleotídeos
50.
51. C
T
G
G
A
C
T
CCTGATGGATCGCGTACGTTGTACGCACAGTGTCGAAAAAG
CATACGGGGACTGCACGTACACGTAGCACGGCGTCGATTTT
GACGTGCACGTGTCAGTGCGATGAGTGAGTGACACACAGTG
CAGCGTGTGTACCCATGCGCGAAGTATGT
70. Síntese Protéica
A Tradução
• O RNAm transcrito no núcleo
chega ao citoplasma e se liga
a um ou mais ribossomos.
• O ribossomo “lê” o primeiro
códon e um RNAt com o
anticódon correspondente
transporta um aminoácido e
se liga ao códon.
• O ribossomo se desloca, no
sentido 5’3’ e lê o próximo
códon.
• Os aminoácidos são unidos
por ligações peptídicas.
• Ao final da tradução o
polipeptídeo se desliga e se
constituí na proteína.
71.
72.
73. Transcrição
Gene ativo RNA polimerase
5’ T G CA C 3’
A 3’
ATGGC A
AU
TACCG GC A T
TA
3’ C G T 5’
5’
C
AU GG DNA - Fita molde
Molécula de RNA nascente complementar a fita molde
•Fita única
•No lugar da Timina haverá uma Uracila
74. Tradução
Cada códon é traduzido num AA específico
AA livre
Ribossomo His
Gly
Phe
Glu
Proteína Asp
Met
Ala Cys
tRNA
5’ 3’
AUGGCAUGCGACGAAUUCGGACACAUA
Molécula de mRNA
codon
Direção do avanço do ribossomo
75. Gly His
Phe
Glu
Asp
Met
Ala Cys
5’ 3’
AUGGCAUGCGACGAAUUCGGACACAUA
76. Ile
Met His
Ala Gly
Cys
Asp
Glu
Phe
5’ 3’
AUGGCAUGCGACGAAUUCGGACACAUA
77. Met
Ala
Cys
Asp
Glu Asn
Phe
Gly
His
Ile
Lys
Leu Met
5’ 3’
GACGAAUUCGGACACAUAAAAUUAAUG
78. Ala Cys Asp Glu Phe
Met Gly
His
Ile
Lys
Leu
Met
Asn
Pro
Gln
5’ STOP 3’
AUAAAAUUAAUGAACCCACAAUAATAC
79. Ala Cys Asp Glu Phe
Met Gly
His
Ile
Gln Lys
Pro Leu
Asn Met
5’ 3’
AUAAAAUUAAUGAACCCACAAUAATAC
RNAm será degradado
80. Ala Cys Asp Glu Phe
Met Gly
His
Ile
Gln Lys
Pro Leu
Asn Met
PROTEÍNA NORMAL
81. Exemplo hipotético de uma mutação pontual
Gene Normal = Proteína Normal
5’ T G CA C 3’
ATGGC A A
TACCG T T
A C G T
3’ 5’ 3’
5’
AUGGCAUGCGACGAAUUCGGACACAUA
mRNA
Alanina
Gene Mutado =Proteína Anormal - G T
5’ T G CA C 3’
A
ATGGA A
TACCT TA T
3’ C G T 5’
5’ 3’
AUGGAAUGCGACGAAUUCGGACACAUA
mRNA
Acido Glutâmico
82. Ala Cys Asp Glu Phe
Met Gly
His
Ile
Gln Lys
Pro Leu
Asn Met
e
p Glu Ph G ly
As
s
PROTEÍNA NORMAL Cy His
Glu
I le
t Lys
Me
Leu
G ln
t
ro
P sn Me
A
PROTEÍNA DEFEITUOSA
84. Os vegetais são constituídos de três genomas:
genomas
- O genoma do cloroplasto tem uma estrutura muito conservada 120-217kb
que inclui 110-113 gene;
- O genoma da mitocondria é maior de 300-600kb e contêm perto de 60 genes,
é um genoma muito dinâmico já que ganha e perde facilmente seqüências
nucleares e do cloroplasto.
5 1
genoma nuclear
genoma cloroplasto
genoma mitocondrial
90
85. Genoma nuclear
Paradoxo do valor C (DNA haplóide) = pares de base
- Não existe correlação entre o tamanho do nuDNA e o número
de genes;
- Angiospermas – 80% do nuDNA é DNA repetitivo;
- Correlação positiva entre a quantidade de seqüências de DNA
repetitiva em um genoma e sua quantidade de DNA.
86. O tamanho do DNA nuclear
Plantas superiores - 1,1 x 106 pb a 1,1 x 1011pb
Angiospermas – 3 x 108 a 1 x 1011pb
Ocorre um incremento na escala evolutiva
- RNA associado a cromatina (RNA nascentes, presos a fita
molde) representa 3% de sua composição
O genoma nuclear de Arabidopsis thaliana tem 135Mb = 25.500 gens.
Do arroz (Oryza sativa) tem se seqüenciado duas variedades e seu genoma
é quase 4 vezes maior que o de A. thaliana e compreendem de 32.000 a
55.615 genes.
Para o milho (Zea mays), embora não seqüenciado, se conhece muita
informação estima-se que 60 a 80% de seu genoma nuclear esta constituído
por elementos móveis
90. ORGANIZAÇÃO E EVOLUÇÃO DAS SEQÜÊNCIAS
REPETITIVAS
Três graus de repetição:
Cópia única – cada seqüência de nucleotídeo só se encontra uma vez por
genoma haplóide, pertence a > dos genes que codificam proteínas. É abundante
cerca de 58% no genoma dos mamíferos e 33% em células vegetais
Mediamente repetitivos – apresenta seqüências nucleotídecas que se repetem
um moderado número de vezes. É menos abundante que os de cópia única e a
sua proporção aumenta na escala evolutiva – são genes que codificam o RNA
ribossômico e histonas – encontrado mais de 100 cópias por genoma haplóide
de genes do RNA ribossômico (rRNA)
Altamente repetitivos – seqüências nucleotídecas altamente redundantes,
acima de 10.000 cópias de cada gene, seqüências curtas e restritas a regiões
específicas do genoma constituem o chamada DNA satélite
91. DNA SATÉLITE
(PROPORÇÃO SEPARÁVEL INCOMUM DE NUCLEOTÍDEOS)
O DNA satélite foi descoberto em 1960.
- banda principal contendo genes;
-bandas secundárias, bandas satélites. seqüências de DNA repetidas;
- Representa a maioria das famílias de seqüências altamente repetitivas nos
genomas eucarióticos;
-Composta por fragmentos DNA repetitivos cerca de 150 a 500 pb
-Encontrada próximo ao telômero e centrômeros vegetais
Função:
Recombinação – rearranjos no genoma (expandir-se ou contrair-se)
Sem função – sujeitas a seleção neutra
92.
93.
94. DNA ribossomal (rDNA)
- Outra porção do DNA repetitivo encontrado no
encontrado no nuDNA;
- Constituida de três genes: 18S, 5,8S e 26 S;
- Rearranjados em tandem e as unidades ribossomais
(rDNA) também é repetido em tandem;
- Estas unidades estão associadas às regiões organizadoras
do nucléolo (NORs)
NORs: porções de fibras cromatínicas onde estão os genes
que codificam os rRNAs
O número de NORs varia de espécie para espécie
95. Tamanho da unidade ribossomal
- Com espaços intergênicos, varia de 7,8 kb a 18,5 kb, com numero de cópias
que pode variar de 600 a 8500/ genoma haplóide
- A unidade ribossomal é constituída pelos genes 18S, 5,8S e 28S e dos
espaçadores transcritos internos (ITS) que intercalam os genes;
- A sigla IGS indica o espaço intergênico, separa as unidades ribossomais;
- RNA ribossomal 5S (5S rDNA); 140 a 900pb, cada unidade de repetição
pode variar de 1 mil a 50 mil cópias por genoma haplóide;
- Em plantas as seqüências ITS variam em comprimento de ≈ 500-700pb em
angiospermas e 1500-3700pb em algumas gimnospermas
96. Genoma Extranuclear
- Os cromossomos das mitocôndrias e dos cloroplastos apresentam padrão de
organização e herança bem diferente dos cromossomos nucleares;
- Os genes extranucleares também chamados genes citoplasmáticos;
- A maioria das proteínas das mitocôndrias e dos
cloroplastos são codificadas pelo DNA nuclear e
importados do citosol para s organelas;
- O tráfego das proteínas do citosol para as
organelas é unidirecional;
- O DNA das organelas celulares são circulares;
- São relativamente pequenas e simples;
- Não ocorre recombinação (somente mutação);
- Herança não-mendedliana (citoplasmática,
herança da mãe) Marcador de linhagem materna.
97. O genoma cloroplasto
• Sequencia no genoma varia
de 70kb - 201kb
• 100-250 genes:
– Gene expressos
– Fotossíntese – 20 genes
– Metabolismo
Sequenciamento completo:
Tabaco - 155,844 pb;
Arroz -134,525 pb
98. O Genoma do cloroplasto codifica várias proteínas
e RNAs
• Cloroplastos apresentam DNA com tamanho variado:
120-190 kb
• codifica todos os rRNAs e tRNAs necessários para a síntese
protéica, e aproximadamente 50 proteínas
• os genes da organela podem ser transcritos e traduzidos
pelo aparato da mesma
102. • mitocondrias mostram tamanhos variados de genoma
– o número de genes codificadores de proteínas é
pequeno
– a maior parte é codificadora de componentes das
subunidades dos complexos da respiração I-IV
– genes codificadores de RNA
• Genoma mitocondrial apresenta introns, exceto nos
mamíferos
103. • Tamanho do mtDNA
•Humanos e outrros vertebrados ~16 kb
(todos genes mtDNA codificam produtos)
•Leveduras ~80 kb
•Plantas ~100 kb to 2
Mb
(muitos genes mtDNA não codificam produtos)
Aplicação:
• Análise maternal
• Filogenia Sistemática
•Genética de populações
•Teste forensi (maternal ID)
104. Marchantia polymorpha – 121Kb
136 genes: 4 rRNA, 29tRNA
90 genes codificadores de proteínas - destes 20 estão envolvidas no
transporte de elétrons durante a fotossíntese
105.
106. Genômica?
• Genomica é estudo de todos os genes em um organismo……..
• Proteomics é estudo de todas as proteínas…..
• Metabolomics isé o estudo de todas as vias metabólicas…
108. Arabidopsis thaliana
Modelo de genoma em plantas
Rapido crescimento
Brassicaceae
Genome: 125 Mb ( muito pequeno )
Cromossomos: 5
Genes: 25,498
Website: http://www.arabidopsis.org
109.
110. Oryza sativa
Genome: 430 Mb (1/8 do genoma humano)
Um dos menores genomas de gramíneas
Cromossomos: 12
Genes: ~ 50,000 (mais do que genoma
humano)
http://www.usricegenome.org