APOSTILA - BIOLOGIA MOLECULAR NAS ESCOLAS: UM NOVO CONCEITO DE APRENDIZAGEM (PET/UFC Farmácia) by PET/UFC-Farmácia

APRESENTAÇÃO

O PET/UFC-Farmácia (Programa de Educação Tutorial do Curso de Farmácia da UFC) é formado por um grupo de estudantes do curso de Farmácia da Universidade Federal do Ceará que realiza atividades de Ensino, Pesquisa e Extensão, sob a tutoria de um professor. Uma das atividades que o grupo realiza é a realização de um curso de Biologia Molecular em escolas públicas e privadas de Fortaleza, Ceará. O curso é constituído de 10 aulas (aulas teóricas, práticas e dinâmicas). A fim de melhorar o rendimento de aprendizado dos alunos que participam do curso, o grupo PET/UFC-Farmácia elaborou essa apostila com o conteúdo abordado nas aulas teóricas e práticas. A apostila é dividida em 7 capítulos e em cada um você irá encontrar figuras, tabelas, exercícios, além de um resumo de cada aula na secção “O que aprendemos nessa aula?”. É de grande importância que você leia os capítulos da apostila e faça os exercícios propostos. O grupo PET/UFC-Farmácia espera que você consiga aprender o máximo possível e agradece por participar desse projeto conosco.

Bons Estudos! Equipe PET/UFC-Farmácia.

Para mais informações sobre o grupo PET/UFC-Farmácia acesse: Site: www.petfarmacia.ufc.br E-mail: petfarmaciaufc@gmail.com Página no Facebook: Pet/UFC-Farmácia Twitter: PET/UFC-Farmácia

COORDENAÇÃO E ORGANIZAÇÃO: Profa. Dra. Nádia Accioly Pinto Nogueira (Tutora do PET/UFC-Farmácia)

AUTORES: Ana Luiza Ribeiro Aguiar

Jonatas José Lobo Oliveira

Carine Soares Neto

Luciana Satie Kurosaki Castro e Silva

Carlos Diego Moreira Rufino

Ludmila Alves Freitas

Francisco Thiago Guedes Holanda

Nickolas Marlles Falcão Mendonça

Hilania Valéria Dodou

Rafael Soeiro dos Santos

Iandra Prado Magalhães

Thales Alves Campelo

ARTE GRÁFICA (CAPA): Carlos Diego Moreira Rufino

FORMATAÇÃO FINAL: Luciana Satie Kurosaki Castro e Silva Rafael Soeiro dos Santos

REVISÃO DE TEXTO: Profa. Glória Maria Silva Hamelak Hilania Valéria Dodou

SUMÁRIO 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

CONCEITOS BÁSICOS DA BIOLOGIA .......................................................... Conceitos Básicos .................................................................................................... Diferenciação entre células procarióticas e eucarióticas.......................................... Organelas Celulares.................................................................................................. O que aprendemos nessa aula?................................................................................. Exercícios.................................................................................................................

7 7 8 11 12 12

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

AMINOÁCIDO, PROTEÍNAS, DNA, RNA e REPLICAÇÃO DO DNA......... Aminoácidos e proteínas........................................................................................... Ácidos nucléicos........................................................................................................ Diferenças entre DNA e RNA................................................................................... Replicação Semiconservativa do DNA..................................................................... O que aprendemos nessa aula?.................................................................................. Exercícios..................................................................................................................

14 14 16 19 19 20 20

3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

EXTRAÇÃO DE DNA DE MORANGO............................................................... Por que o morango?................................................................................................... Procedimento da prática............................................................................................ Entendendo a prática................................................................................................. O que aprendemos nessa aula?.................................................................................. Exercícios..................................................................................................................

22 22 22 23 24 24

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

SÍNTESE DE PROTEÍNAS................................................................................... Transcrição................................................................................................................ Tradução.................................................................................................................... Dogma Central da Biologia Molecular...................................................................... O que aprendemos nessa aula?.................................................................................. Exercícios..................................................................................................................

25 25 26 28 28 29

5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

DIVISÃO CELULAR.............................................................................................. Intérfase..................................................................................................................... Mitose........................................................................................................................ Meiose....................................................................................................................... O que aprendemos nessa aula?.................................................................................. Exercícios..................................................................................................................

31 31 31 32 33 34

6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

NOÇÕES DE GENÉTICA E SUAS APLICAÇÕES........................................... A 1º Lei de Mendel.................................................................................................... Sistema ABO............................................................................................................. Sistema Rh................................................................................................................. Compatibilidade e identificação sanguínea............................................................... Doenças Ligadas aos cromossomos sexuais.............................................................. O que aprendemos nessa aula?.................................................................................. Exercícios..................................................................................................................

36 36 41 43 44 47 48 48

7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10

BIOTECNOLOGIA E ENGENHARIA GENÉTICA NO DIA-A-DIA.............. Enzimas de restrição.................................................................................................. Melhoramento genético............................................................................................. Transgênicos e Organismos Geneticamente Modificados (OGM)............................ Células-tronco............................................................................................................ Clonagem................................................................................................................... A Engenharia Genética a serviço da justiça.............................................................. Aconselhamento Genético......................................................................................... Doenças genéticas...................................................................................................... O que aprendemos nessa aula?.................................................................................. Exercícios..................................................................................................................

50 50 51 51 54 56 57 59 59 62 62

REFERÊNCIAS.......................................................................................................

1.CONCEITOS BÁSICOS DA BIOLOGIA O que é a Biologia Molecular? O que diferencia o homem de uma bactéria ou de uma cadeira? Por que as plantas fazem fotossíntese e nós não? Vocês sabem responder essas perguntas? Vamos respondê-las no decorrer do nosso curso.

1.1. Conceitos Básicos A Biologia Molecular é um ramo da Biologia que estuda da vida em escalas moleculares. Seu principal foco é o estudo do DNA, RNA e proteínas. Seu campo de estudos é bem amplo. Qual a diferença entre um cachorro e uma cadeira? Bem, o cachorro é um ser vivo, é constituído de células, enquanto que uma cadeira é um ser inanimado, que não tem vida. Mas e o que são células? A célula é a menor parte de um organismo vivo capaz de desenvolver, de forma autônoma, as funções básicas que caracterizam a vida: a reprodução e o crescimento. E como as células formam os seres vivos? Inúmeras células, quando se juntam, formam o que nós chamamos de tecidos que formam os órgãos; a partir daí formam-se os sistemas e então o indivíduo. Veja o fluxograma abaixo:

Células

Tecidos

Órgãos

Sistemas

Indivíduo

E qual a diferença entre um cachorro e uma bactéria? O cachorro, assim como as plantas e o homem, é um ser multicelular ou pluricelular, ou seja, são organismos mais complexos compostos por muitas células. Para termos uma noção, o homem é formado por cerca de 100 trilhões de células (1014). Já as bactérias são seres unicelulares, compostos por uma única célula que realiza todas as funções vitais. Além disso, as células que compõem o cachorro, as plantas e o homem são células eucarióticas, enquanto que as bactérias são constituídas por células procarióticas. Vejam as Figuras 1.1 e 1.2. O que há de diferente nessas duas imagens? Vocês sabem identificar qual é a célula procariótica e qual a eucariótica? Na Figura 1.2 a célula apresenta o núcleo envolvido por uma membrana que chamamos de membrana nuclear, envoltório nuclear ou carioteca que separa o núcleo do citoplasma, chamamos essa célula de eucariótica. Já na Figura 1.1 a célula não apresenta tal membrana, por isso, o material que deveria estar dentro do núcleo está disperso no citoplasma, chamamos essa célula de procariótica.

Figura 1.1: Célula Procarionte

Figura 1.2: Célula Eucarionte

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

1.2. Diferenciação entre células procarióticas e eucarióticas Quais diferenças podemos ser encontradas entre as células dos animais (Figura 1.3) e dos vegetais (Figura 1.4)? Figura 1.3: Célula Animal

Figura 1.4: Célula Vegetal

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Vamos citar algumas diferenças encontradas: na Figura 1.4 a célula apresenta uma parede celular rígida (1), um vacúolo central grande (2), cloroplastos (3), que são responsáveis pela fotossíntese, e membrana celular (4). Já a célula animal, Figura 1.3, não possui parede celular, somente tem a membrana celular (4), não tem cloroplastos (por isso precisamos nos alimentar, já que não produzimos nosso próprio alimento), e pode apresentar vacúolos pequenos e periféricos. Essas três estruturas estão presentes na célula vegetal e a difere da célula animal (Figura 1.5).

Figura 1.5: Célula Vegetal e as estruturas que a diferem da célula animal

Cloroplasto s Vacúolo Parede celular

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

As Figuras 1.6, 1.7 e 1.8 mostram as estruturas que compõem os diferentes tipos de células.

Figura 1.6: Estruturas presentes em uma célula animal

Complexo de Golgi

Centríolos RetículoEndoplasmático Liso

Mitocôndria Cromatina Nucléolo Lisossomo

Carioteca

RetículoEndoplasmático Rugoso

Ribossomo

Membrana celular Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Figura 1.7: Estruturas presentes em uma célula animal vegetal

Carioteca

Núcleo

Nucléolo Retículo Endoplasmático Liso

Cromatina Retículo Endoplasmático Rugoso

Membrana Plasmática

Ribossomo

Centríolos

Vacúolo Cloroplasto

Lisossomo

Complexo de Golgi

Parede Celular

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Figura 1.8: Estruturas presentes em uma célula bacteriana

Membrana plasmática

Plasmídeo Ribossomos

Cromatina

Flagelo

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Agora você já aprendeu a responder questões básicas sobre: O que é Biologia Molecular, o que diferencia o homem de uma bactéria e de uma cadeira, porque as plantas fazem fotossíntese e nós não, bem como aprendeu alguns conceitos básicos que contribuirão para um bom entendimento dos outros assuntos que serão abordados nesse curso. 10

Vimos que o nosso corpo é constituído por células, mas você sabe dizer o que são organelas celulares? Porque elas são tão importantes? Essas respostas nós vamos descobrir!

1.3. Organelas Celulares O que são organelas celulares? São várias estruturas presentes no citoplasma das células eucarióticas, que desempenham funções específicas essenciais à vida da célula, são comparáveis aos órgãos de um organismo. Assim como temos vários órgãos, cada um desempenhando diferentes funções, temos também várias organelas. A seguir, estão listadas as principais organelas e suas funções: Retículo Endoplasmático Liso (R.E.L.): síntese (produção) de ácidos graxos, fosfolipídios e de esteróides (lipídios em geral). OBS.: em células do fígado e em células das gônadas sexuais, encontramos grande quantidade de R.E.L. Retículo Endoplasmático Rugoso (R.E.R.): síntese de proteínas para exportação (que serão eliminadas para atuar fora da célula); síntese de enzimas lisossômicas (que fazem a digestão intracelular). Complexo de Golgi: síntese de proteínas e de carboidratos, secreção e armazenamento celular, formação do acrossomo dos espermatozoides e formação dos lisossomos. Vesículas: transporte de substância e união com a membrana para eliminar conteúdos para fora da célula. Peroxissomos: degradação de substâncias tóxicas, pois contém a enzima catalase. OBS.: essas organelas são abundantes nas células do fígado e dos rins, pois oxidam (destroem) diversas substâncias tóxicas (como o álcool). Lisossomos: participam da digestão de substâncias orgânicas. Vacúolo: atuam no processo de digestão intracelular. Mitocôndrias: são responsáveis pela respiração das células. Centríolos: organelas que estão relacionadas à orientação da divisão celular. São responsáveis pela formação dos cílios e flagelos, estruturas que possibilitam a locomoção celular. Nucléolo: produção dos componentes ribossômicos. Núcleo: regula as reações químicas que ocorrem dentro da célula e armazena as informações genéticas da célula. Citoesqueleto: participa do transporte de substâncias e dá forma a célula.

1.4. O que aprendemos nessa aula? Aprendemos que a célula é a unidade básica dos seres vivos e que ela é capaz de reproduzir, crescer e sintetizar substâncias através de mecanismos próprios. Vimos que existem seres vivos compostos de uma única célula, os seres unicelulares, e os que possuem muitas e até milhares de células, os chamados seres pluricelulares. Que existem células procariontes, sem carioteca, ou seja, cujo material genético (DNA) está espalhado pelo citoplasma, e células eucariontes que possuem carioteca, ou seja, nas quais o DNA fica dentro do núcleo. Vimos também que as células eucariontes são divididas em célula animal e célula vegetal. A diferença é que a célula vegetal possui estruturas que a célula animal não tem, como a parede celular (rígida, formada de celulose), o vacúolo (armazena substâncias como amido e proteínas) e os cloroplastos (organelas responsáveis pela fotossíntese). Verificamos que nossas células possuem estruturas muito importantes para o funcionamento delas, as organelas. E que essas organelas possuem funções específicas, ou seja, cada uma ajuda a célula de uma forma diferente, assim como os órgãos do nosso corpo.

1.5. Exercícios 1. Cite três exemplos de seres: Unicelulares Pluricelulares Eucariontes Procariontes 2. Analisando as estruturas abaixo, coloque (A) para aquelas que só animais, (V) para as exclusivas de células vegetais e (X) para as ambas. A Cloroplasto D Vacúolo G B Parede celular E Mitocôndria H C Ribossomos F Centríolos I

encontramos em células que estão presentes em Membrana plasmática Carioteca Complexo de Golgi

3. Responde “V” para verdadeiro e “F” para falso sobre organelas celulares. Corrija os itens falsos. A Os peroxissomos são organelas responsáveis pela produção de energia da célula B As mitocôndrias são as organelas consideradas mais importantes, uma vez que são responsáveis pela produção de proteínas C Os centríolos são organelas importantes no processo de divisão celular D Lisossomos participam da digestão celular Espaço para correção dos itens falsos: A B C D 12

4. A figura abaixo representa uma célula eucarionte. Marque qual a estrutura presente nessa célula que a diferencia de células procariontes e diga qual o nome dessa estrutura. Nome da estrutura: _______________________

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia Farmácia

5. Baseando-se se nas funções das organelas celulares, relacione as colunas A e B: Coluna A Coluna A A Vesículas Transporta substâncias e dá forma a célula B Centríolos Armazena as informações genéticas da célula C Complexo de Golgi Produção rodução dos componentes ribossômicos D Retículo Endoplasmático Liso Orientam a divisão celular e são responsáveis pela formação dos cílios e flagelos E Peroxissomos Responsáveis pela respiração celular F Vacúolo Atuam no processo de digestão intracelular G Lisossomos Participam da digestão de substâncias orgânicas H Mitocôndrias Degradação de substâncias tóxicas I Retículo Endoplasmático Transporte ransporte de substância e união com a Rugoso membrana para eliminar conteúdos para fora da célula J Nucléolo Síntese de proteínas e carboidratos, secreção e armazenamento celular L Citoesqueleto Produção de proteínas para exportação M Núcleo Síntese de ácidos graxos, fosfolipídios e de esteróides

2. AMINOÁCIDO, PROTEÍNAS, DNA, RNA e REPLICAÇÃO DO DNA Na aula passada, você aprendeu a responder questões básicas sobre o que é Biologia Molecular, o que são organismos uni e pluricelulares, a diferença entre células eucariontes e procariontes e descobriu o que são organelas celulares. Nesta aula conheceremos novos conceitos! Você já ouviu falar de proteínas? Por acaso, saberia nos explicar o que são? E ácidos nucléicos? Você já ouviu falar sobre eles? Então, prepare-se, pois essas respostas serão respondidas facilmente com os conhecimentos obtidos na aula de hoje.

2.1. Aminoácidos e proteínas Aminoácidos: você sabe o que são? Os aminoácidos são os constituintes das proteínas, eles são formados por uma porção ácida, com o grupamento carboxila (COOH), uma porção básica, com o grupamento amina (NH2), e o radical R (Figura 2.1). O radical R determina se a molécula será polar, apolar, ácida ou básica. Figura 2.1: Estrutura geral dos aminoácidos

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Proteínas: você sabe o que são? Proteínas são macromoléculas complexas formadas por uma sequência de aminoácidos. Uma proteína pode conter até milhares de aminoácidos diferentes, podendo até ser uma macromolécula tridimensional. Nosso corpo inteiro contém proteínas. Elas são produzidas pelo processo chamado de síntese protéica e estão presentes no nosso sangue, nos nossos cabelos, na nossa pele. Os aminoácidos se ligam para formar as proteínas, por meio de ligações peptídicas (Figura 2.2).

Figura 2.2: Formação de ligação peptídica

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

As proteínas podem apresentar estruturas primárias, secundárias, terciárias, ou quaternárias. Essas formas determinam sua função. Existem certos fatores que podem mudar a conformação estrutural das proteínas, o que é chamado desnaturação. A desnaturação acontece através do calor, variação de pH ou presença de agentes químicos.

A clara do ovo é líquida, mas quando é aquecida, fica sólida, isso acontece em virtude da desnaturação pelo calor

Agora reflita e responda: Se a desnaturação fez as proteínas do ovo perderem sua conformação estrutural e, portanto, sua função, por que nós ingerimos a clara do ovo no estado sólido? (ovo cozido ou frito).

A seguir, são listadas as principais funções das proteínas: Estrutural ou plástica: participam dos tecidos dando-lhes rigidez, consistência e elasticidade. Ex: Colágeno. Defesa: os anticorpos são proteínas que realizam a defesa do organismo, especializados no reconhecimento e destruição de vírus, microrganismos e substâncias estranhas ao organismo. Ex.: IgM. Enzimas: proteínas altamente especializadas e com atividade catalítica. Ex: catalase. Proteínas contráteis ou de movimento: são elas as responsáveis pela função de contração de algumas células. Ex: actina e miosina. Hormonal: exercem funções específicas sobre algum órgão ou estrutura de um organismo. Ex.: insulina.

2.2. Ácidos nucléicos Ácidos Nucléicos: Você sabe o que são? Ácido Nucléico é um tipo de composto químico, como o próprio nome diz, de caráter ácido, e que se encontra no núcleo das células. Existem dois tipos de ácidos nucléicos (Figura 2.3), o DNA (ácido desoxirribonucleico) e o RNA (ácido ribonucleico), e são formados por um conjunto de “nucleotídeos”. Figura 2.3: Ácidos nucléicos (RNA e DNA)

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Esses ácidos nucléicos são muito importantes porque são eles que guardam a nossa informação genética, ou seja, a nossa “identidade”, todas as características que temos, como a cor dos olhos, do cabelo, cor da pele, tamanho do seu nariz, do seu pé, etc. Eles não só guardam a nossa informação genética, como também transmitem para as outras células essas informações. Certo, mas o que são esses “nucleotídeos”? Os nucleotídeos são formados por três partes: um grupo fosfato, um açúcar, que uma pentose (ribose, no RNA; desoxirribose, no DNA) e uma base nitrogenada (pirimidina: só tem um anel; purina: tem dois anéis). Veja a Figura 2.4. Figura 2.4- Representação da estrutura geral dos nucleotídeos com base nitrogenada pirimidina e com base nitrogenada purina.

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Existem cinco tipos de bases nitrogenadas: adenina, timina, citosina guanina e uracila (Figura 2.5).

Figura 2.5: Estrutura química das bases nitrogenadas

Uracila (U)

Timina (T)

Adenina (A)

Citosina (C)

Guanina (G)

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

As bases nitrogenadas que estão presentes no DNA são: adenina, timina, citosina e guanina. No RNA, não existe a timina, esta é substituída por uracila. A Adenina se liga com a Timina (Dica para memorizar: Agnaldo Timóteo!). A Guanina se liga com a Citosina (Dica para memorizar: Gal Costa!) (Figura 2.6).

Figura 2.6 - Pareamento das Bases Nitrogenadas

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Assim, se no DNA existe 30% de adenina, terá que ter, também, 30% de timina. Se tiver 20% de guanina, terá que ter 20% de citosina. No caso do RNA a timina é substituída pela uracila (Tabela 2.1). Tabela 2.1 : Bases Nitrogenadas dos Ácidos Nucléicos DNA Adenina (purina) Citosina (pirimidina) Guanina (purina) Timina (pirimidina)

RNA Uracila (pirimidina) Guanina (purina) Citosina (pirimidina) Adenina (purina)

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Como já foi dito, os ácidos nucléicos são formados por nucleotídeos. Esses nucleotídeos se ligam através das ligações fosfodiéster (entre o grupo pentose de um nucleotídeo e o grupo fosfato do outro nucleotídeo) (Figura 2.7).

Figura 2.7 – Ligação Fosfodiéster

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

2.3. Diferenças Entre DNA e RNA DNA (ácido desoxirribonucleico): é formado por duas cadeias polinucleotídicas (duas fitas), complementares e antiparalelas (Figura 2.3). Possui as bases nitrogenadas Adenina (A), Timina (T), Citosina (C) e Guanina (G), em que A se liga a T, por meio de duas pontes de Hidrogênio, e C se liga a G por meio de três pontes de hidrogênio. Seu açúcar é a desoxirribose. O DNA é replicado (duplicado) por meio de um processo semiconservativo, ou seja, em cada molécula de DNA formado, uma das fitas permanece a mesma do DNA de origem. Entenderemos melhor esse processo, a seguir, no tópico Replicação Semiconservativa. RNA (ácido ribonucleico): é formado por uma cadeia de nucleotídeos (fita única) (Figura 2.3). Possui as bases nitrogenadas Adenina, Uracila, Guanina e Citosina. Seu açúcar é a ribose. Há três tipos principais de RNA: RNA Ribossômico (RNAr), RNA Transportador (RNAt), RNA Mensageiro (RNAm). O RNA será melhor estudado na aula de síntese protéica.

2.4. Replicação semiconservativa do DNA 1. O processo se inicia quando a enzima helicase se liga à cadeia de DNA, desenrola a dupla hélice e desliza sobre ela, quebrando as ligações (pontes de hidrogênio) entre as bases nitrogenadas dos nucleotídeos das duas fitas de DNA (ex: ligação entre adenina e timina). Isso faz com as duas cadeias de DNA fiquem separadas. 2. Em seguida, a enzima DNA-polimerase vai adicionando nucleotídeos (que estão livres no núcleo) às bases das fitas (cadeias) de DNA, da mesma forma como foi explicado anteriormente: adenina se liga com timina e guanina se liga com citosina. 3. A partir de cada uma “fita-mãe” de DNA é formada uma “fita-filha”. 4. Como cada molécula de DNA filha contém uma fita vinda do DNA de origem (DNA mãe), a replicação do DNA é chamada de semiconservativa (figura 2.8). Figura 2.8- Replicação Semiconservativa do DNA

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia 19

2.5. O que aprendemos nessa aula? Aprendemos o que são as proteínas e as suas diversas funções. Também conhecemos os ácidos nucléicos, DNA e RNA, como são formados e como são importantes para definir as nossas características. E não vamos esquecer da "dica": Gal Costa (Guanina ≡ Citocina) e Aguinaldo Timótio (Adenina = Timina). Além disso, aprendemos como uma fita de “DNA mãe” forma novas fitas de “DNA filhas”, pelo processo de replicação semiconservativa.

2.6 Exercícios 1. O que são proteínas e quais suas principais funções? Cite exemplos. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ Ex:________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 2. Explique o que é a estrutura quaternária de uma proteína e dê um exemplo. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ Ex: _______________________________________________________________________ 3. Com base no que estudamos sobre ácidos nucléicos, complete a tabela abaixo: Característica Estrutura Açúcar (Pentose) Bases nitrogenadas Função

DNA

RNA

4. Sabendo que uma molécula de DNA é constituída por 10% de adenina, quanto haverá de: Base Nitrogenada Guanina Timina Citosina

5. Faça um desenho esquematizando um nucleotídeo com base púrica e um com base pirimídica. Nucleotídeo com base púrica

Nucleotídeo com base pirimídica

6. Imagine que o processo de replicação do DNA está acontecendo como neste desenho. Quais as enzimas envolvidas nas etapas 1 e 2? Qual será a sequência de bases nitrogenadas da fita complementar à fita-mãe mãe em vermelho? Indique na figura abaixo, onde estão os terminais 5' fosfato e 3'hidroxila,, nas fitas molde moldes e complementares:

AAATGCCGTTGA Enzima 1 Enzima 2 Sequência da fita complementar 7. Por que podemos afirmar que o processo de replicação do DNA é semiconservativo? ___________________________________________________________________________ _________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ______________________________________________________ __________________________________________________________________________

3. EXTRAÇÃO DE DNA DE MORANGO

É possível extrair o DNA de uma fruta? A resposta é sim e nesta aula aprenderemos como podemos fazer isso.

3.1. Por que o Morango? Para começarmos, por que o morango? Por três motivos principais: 1. O morango é fácil de homogeneizar, conseguimos esmagá-lo facilmente com os dedos; 2. O morango produz pectinases e celulases. O que são isso? Vamos relembrar o que aprendemos nas aulas anteriores, a terminação ase é característica de quê? De enzimas! Então as pectinases e as celulases são enzimas que destroem os componentes da parede celular das células que compõem o morango, facilitando a saída do DNA que está guardado lá no núcleo das células. 3. Por fim, o morango possui bastante DNA, facilitando a extração.

3.2. Procedimento da prática Como fazemos para extrair esse DNA? Basta seguir o procedimento descrito em seguida e apresentado no Esquema 3.1: 1. Retirar o cabinho, colocar o morango em um saquinho e macerar; 2. Transferir o macerado para um copo; 3. Adicionar a solução extrativa ao macerado e mexer sem fazer espuma; 4. Peneirar a mistura; 5. Transferir uma pequena quantidade para outro copo; 6. Adicionar o álcool.

Você já consegue visualizar o DNA que se separou do restante da solução

Esquema 3.1 – Procedimento de extração de DNA de morango

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

3.3. Entendendo a prática Já sabemos fazer a extração, agora vamos entender o procedimento Por que eu tenho que macerar o morango? Quando você esmaga o morango você aumenta a superfície de contato entre as células do morango e a solução extrativa, facilitando a ação dessa solução. De que é composta essa solução extrativa e para que ela serve? A solução é composta de 150mL de água + 1 colher de sopa de detergente + 1 colher de chá de sal. Qual a função do detergente? O detergente é um composto anfifílico, ou seja, tem afinidade tanto por água (substância polar) como por óleo (substância apolar), dessa forma, o detergente se liga tanto as membranas plasmáticas (compostas de fosfolipídeos apolares) como à água presente no meio, formando o que chamamos de micelas. Isso ajuda na ruptura da membrana plasmática das células, facilitando a saída do DNA que está guardado lá no núcleo das células. E qual é a função do sal? O sal, cloreto de sódio, é formado por Na+ (sódio) e Cl- (cloreto). Dessa forma, o sódio consegue neutralizar a carga negativa do DNA e o cloreto consegue neutralizar a carga positiva das histonas. O DNA se separa da histona, facilitando a sua saída do núcleo da célula e a sua visualização.

Por que eu adiciono o álcool? Bem, o DNA é insolúvel em álcool, então quando adicionamos o álcool, o DNA precipita (se separa) e pode ser visualizado.

3.4. O que aprendemos nessa aula? As características do morango que facilitam a extração de seu DNA. Como extrair o DNA do morango. Quais os componentes da solução extrativa e suas funções.

3.5. Exercícios 1. Os itens abaixo trazem as características do morango que facilitam a extração do seu DNA. Marque verdadeiro ou falso e corrija os itens incorretos. A O morango tem bastante DNA B O morango tem enzimas chamadas pectinase e colagenase que destroem a parede celular das células do morango C O morango é facilmente homogeneizado Espaço para correção dos itens incorretos: A B C 2. Enumere os itens abaixo de acordo com a ordem correta do procedimento de extração do DNA do morango. A Adicionar o álcool B Peneirar a mistura C Colocar o morango em um saquinho e macerar D Retirar o cabinho do morango E Adicionar a solução extrativa ao macerado e mexer sem fazer espuma F Visualizar o DNA G Transferir uma pequena quantidade para outro copo H Transferir o macerado para um copo 3. Relacione as colunas A e B: Coluna A A Maceração do morango B Solução extrativa C D E

Detergente Sal Álcool

Coluna A Neutraliza a carga negativa do DNA e a carga positiva da histona Composto anfifílico que auxilia na formação de micelas e na ruptura da membrana plasmática da célula Processo realizado para aumentar a superfície contato entre as células do morango e a solução extrativa Facilita a precipitação do DNA Composta de água, detergente e sal

4.SÍNTESE DE PROTEÍNAS Nesta aula, vamos aprofundar nosso conhecimento sobre a Biologia Molecular conhecendo um dos mais fascinantes processos do nosso organismo, a síntese de proteínas. E o que é síntese de proteínas? É a formação de proteínas a partir de ligações peptídicas entre aminoácidos. Esse processo se divide em duas etapas: Transcrição e Tradução.

Que tal aprender mais sobre eles?

4.1. Transcrição O que é Transcrição? É o processo de formação de RNA tendo uma fita de DNA como molde (Figura 4.1). Nos eucariotos, ela ocorre no núcleo. Nos procariotos, ela ocorre no citosol, pois estes não têm membrana nuclear. Figura 4.1 - Esquema representativo da etapa de transcrição

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

E como ocorre a transcrição? A transcrição ocorre em uma sequência de DNA, um gene, que armazena as informações genéticas para a formação de proteína ou RNA.

DNA é formado por uma dupla fita e precisa ser aberto para que ocorra a transcrição, certo? Mas quem abre a dupla fita do DNA? A RNA polimerase. Ela é uma enzima que se encaixa numa região específica do DNA, denominada promotor, que indica onde a transcrição deve começar. A RNA polimerase vai deslizando ao longo da fita de DNA e adicionando nucleotídeos para a formação de uma fita de RNA. Logo depois da formação dessa fita de RNA, a RNA polimerase se separa do DNA, que novamente se fecha. Voce sabia que em células eucarióticas, o RNAm (RNA mensageiro) é processado no núcleo, diminuindo de tamanho, antes de migrar para o citoplasma?

4.2. Tradução O que é a Tradução? É o processo no qual é realizada a leitura das informações contidas no RNAm (RNA mensageiro), para que ocorra a síntese de proteínas. Ela ocorre nos ribossomos, presentes no citoplasma. E como ocorre a tradução? Diferente do DNA, o RNAm que foi formado no processo de transcrição pode se movimentar do núcleo ao citoplasma da célula eucariótica. Ou seja, é como se o DNA fosse o chefe que manda o RNAm executar a sua ordem no citoplasma. Que ordem é essa? Sintetizar proteínas! Ao sair do núcleo e chegar ao citoplasma o RNAm encontra as organelas responsáveis pela tradução, os ribossomos.

E agora? Como acontece essa magia?

Como o nome já diz, o RNA mensageiro carrega uma mensagem e essa mensagem está escrita em código, o chamado CÓDIGO GENÉTICO (Quadro 4.1).

E como funciona este código? Para entendermos, vamos fazer uma comparação com o nosso idioma. Na língua portuguesa uma letra isolada, não tem nenhum sentido, não é? Mas um conjunto de letras colocado em uma ordem específica forma uma palavra, a qual todos podemos entender.

Quadro 4.1: Código genético

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

No código genético, o alfabeto é formado por 4 letras que são as que simbolizam as bases nitrogenadas do RNA (A, U, G e C). Essas quatro letras se organizam em trincas para formar os códons (que podem ser comparados a nossas palavras). Cada códon do RNAm é complementar a um anticódon correspondente no RNAt (RNA transportador) e codifica um aminoácido (Figura 4.2). O RNAt é responsável por carregar em sua extremidade 3'-OH um aminoácido. Assim, a medida que os códons do RNAm vão sendo traduzidos, RNAt que tenham o anti-códon complementar ao códon do RNAm vão se encaixando no ribossomo e os aminoácidos que estes carregam vão se unindo, por ligações peptídicas (Figura 4.3), para formar a proteína. Dessa forma, se monta uma sequência de aminoácidos de acordo com a sequência de códons do RNAm e recrutamento de RNAt com anti-códons correspondentes. Quando o ribossomo encontra um códon de parada no RNAm (UAA, UAG, UGA), que são códons que não codificam nenhum aminoácido, apenas indicam que a síntese da proteína deve ser encerrada: RNAm, ribossomo e RNAt se separam, liberando a cadeia de aminoácidos. Figura 4.2: Esquema representativo da etapa de tradução

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia 27

Figura 4.3 – Ligação peptídica

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

O que queremos dizer com a afirmação: “O código genético é degenerado”? Calma, não estamos falando mal do código genético! Quando dizemos que o código genético é degenerado, estamos nos referindo ao fato de que um aminoácido pode ser codificado por mais de uma trinca de bases nitrogenadas (códons), certo? Porém, cada códon só codifica um aminoácido específico! Veja novamente o Quadro 4.1 para entender melhor. Por exemplo, o aminoácido alanina é codificado por 4 códons, mas o códon GCU só codifica a alanina.

4.3. O Dogma Central da Biologia Molecular Um dogma é uma verdade incontestável. Na Biologia Molecular existe um dogma que diz que o fluxo da informação genética é unidirecional. Ou seja, nunca podemos partir de um RNA para formar uma molécula de DNA, nem partir de uma proteína para formar RNA. O fluxo correto e único seria: DNA

RNA

Proteínas

Por muito tempo esse dogma permaneceu sem exceções, mas descobriu-se que existiam vírus que faziam exatamente o processo inverso, ou seja, RNA DNA. O vírus HIV é um exemplo desse tipo de vírus.

4.4. O que aprendemos nessa aula? Como ocorre a formação de proteínas através dos processos de transcrição e tradução. Que o código genético é degenerado, pois há mais códons do que aminoácidos, logo, existem aminoácidos que são codificados por mais de um códon. Em que consiste o Dogma Central da Biologia Molecular.

4.5. Exercícios 1. Relacione as colunas A e B: Coluna A A Transcrição e Tradução B

Núcleo

C D E

Citoplasma RNA Polimerase RNA mensageiro

RNA transportador

RNA ribossômico e Proteínas

Ribossomo

Coluna A Carrega uma mensagem do DNA Enzima que abre o DNA e é responsável pela formação de uma fita de RNA Lugar onde ocorre a Tradução Partes que compõem o ribossomo Organela responsável pela tradução Lugar onde ocorre a Transcrição em células eucarióticas Carrega um aminoácido que corresponde a um códon Etapas da síntese protéica

2. Marque a opção que melhor explica códon: A Parte do DNA que contém a informação biológica para a síntese de RNA e proteínas B Trincas que estão presentes no RNA mensageiro C Parte protéica do ribossomo D Sequência de aminoácidos 3. Com base o que aprendemos sobre o Dogma Central da Biologia Molecular, diga quais processos estão representados pelas setas abaixo: D

DNA

RNA

PROTEÍNA

A Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Processo A: _____________________________ Processo B: _____________________________ Processo C: _____________________________ Processo D: _____________________________ 4. Por que o código genético é dito degenerado? A Porque um mesmo códon pode codificar mais de um aminoácido B Porque um aminoácido pode ser codificado por mais de um códon C Porque um aminoácido codifica mais de uma proteína D Porque uma mesma proteína tem diferentes aminoácidos

5. A fita de DNA mostrada abaixo em vermelho deve sofrer os processos de transcrição e tradução para síntese de uma proteína. Partindo da sequênc sequência ia de bases nitrogenadas da fita de DNA mostrada abaixo, responda:

a. Qual a sequência de bases nitrogenadas na fita de RNAm? ___________________________________________________________________________

b. Qual a sequência de aminoácidos da proteína sintetizada? Consulte o Código genético (Quadro 4.1) para responder. _____________________________________________________________ ___________________________________________________________________________

5.DIVISÃO CELULAR Nesta aula aprenderemos quais as etapas da divisão celular e a sua importância para a manutenção da vida! Divisão celular é o processo que ocorre nos seres vivos, através do qual uma célula, chamada célula-mãe, se divide em duas ou quatro células-filhas, que podem apresentar a mesma quantidade de cromossomos (mitose) ou que tenham o número de cromossomos dividido ao meio (meiose). É comandada pelo núcleo da célula.

5.1. Intérfase É o período do ciclo celular, entre as divisões celulares (meioses ou mitoses), no qual a célula aumenta seu volume, tamanho e número de organelas. A intérfase promove condições para que a célula se divida, originando células-filhas (Figura 5.1). Figura 5.1 - Intérfase e suas etapas

Fonte:http://2.bp.blogspot.com/

Etapas da Intérfase • • •

Período G1: produção de enzimas, proteínas e síntese de RNA. Célula aumenta de tamanho. Período S: síntese e produção do DNA. Período G2: assemelha-se ao período G1, porém, neste período o DNA está duplicado.

5.2. Mitose Na Mitose a célula eucariótica diplóide se divide formando duas células diplóides, ela ocorre em quatro etapas, que estão descritas abaixo. Leiam o texto e analisem a Figura 5.2.

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Prófase: Os cromossomos atingem seu grau máximo de condensação e se colocam no equador do fuso acromático. Há dois tipos de fibras no fuso: as contínuas que vão de centríolo a centríolo, e as cromossômicas, que vão de centríolo a centrômero.

•

Metáfase: Ocorre a formação da placa equatorial, ou seja os cromossomos se dispõe na posição mediana da célula, possibilitando a distribuição equitativa da informação genética. Os cromossomos estão bem individualizados e fortemente condensados. Essa fase é adequada para se fazer contagem de cromossomos e verificação de alterações estruturais grosseiras. As linhas do fuso surgem em forma de linhas centrais (ou contínuas) ou de linhas cromossomais.

•

Anáfase: Divisão longitudinal do centrômero. Cromossomos-filhos migram para os polos da célula, orientados pelas fibras do fuso.

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Telófase: Desaparecimento das fibras do fuso. Organização da carioteca e do nucléolo. Descondensação dos cromossomos. Fim da cariocinese e início da citocinese. Figura 5.2 – Fases da Mitose

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

5.3. Meiose Na Meiose a célula eucariótica diplóide se divide formando quatro células haplóides. Leiam o texto abaixo acompanhando a Figura 5.3. •

Prófase I: Fase de grande duração, devido aos fenômenos que nela ocorrem e que não são observados na mitose. Os cromossomos, já com as duas cromátides individualizadas, tornam-se mais condensados. Finalmente, desaparece o nucléolo e a carioteca. O centríolos migram para os polos da célula e forma-se o fuso acromático. A prófase I é dividida em cinco subdivisões: leptóteno, zigóteno, paquíteno, diplóteno e diacinese. Na subfase paquíteno ocorre o crossing-over, também chamado de permutação

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Metáfase I: Nessa fase ocorre o desaparecimento da membrana nuclear, forma-se um fuso e os cromossomos pareados se alinham no plano equatorial da célula com seus centrômeros orientados para pólos diferentes.

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Anáfase I: Cada cromossomo, com suas cromátides-irmãs, migra para os pólos. Os dois membros de cada bivalente se separam e os respectivos centrômeros com as cromátides 32

irmãs fixadas são puxados para pólos opostos da célula. Os bivalentes distribuem-se independentemente uns dos outros e, em consequência, os conjuntos paterno e materno originais são separados em combinações aleatórias. •

Telófase I: Descondensação do nucléolo e formação de dois núcleos com metade do número de cromossomos.

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Prófase II: É mais rápida que a prófase I. Os cromossomos tornam-se mais condensados (caso tenham descondensado na telófase I), desaparece a membrana nuclear e forma-se o fuso acromático.

•

Metáfase II: Os cromossomos ficam dispostos com os centrômeros no plano "equatorial" e com as cromátides voltadas cada uma para seu polo, ligadas às fibrilas do fuso.

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Anáfase II: Quebram-se os centrômeros, separando-se as duas cromátides, que passam a formar dois cromossomos independentes que ascendem para os polos opostos.

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Telófase II: Ao atingir os polos, os cromossomos descondensam-se e forma-se de novo um núcleo em torno de cada conjunto, formando quatro células haplóides. Figura 5.3 – Etapas da Meiose

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

5.4. O que aprendemos nessa aula? Na mitose o número de cromossomos é mantido, enquanto que na meiose a quantidade de cromossomos da célula-mãe é dividida pela metade. Existem quatro fases da mitose: Prófase, Metáfase, Anáfase e Telófase. Existem oito fases na meiose: Prófase 1, Metáfase 1, Anáfase 1, Telófase 1, Prófase 2, Metáfase 2, Anáfase 2 e Telófase 2. Na subfase Paquíteno da Prófase 1, na Meiose, ocorre o Crossing over, que também pode ser chamado de permutação. 33

5.4. Exercícios 1. Qual estrutura celular é responsável pelo deslocamento dos cromossomos para os polos? A Cromátides Irmãs B Carioteca C Centríolos D Actina E Mitocondrias 2. Encontre no caça-palavras as 4 fases da mitose e escreva em qual delas ocorre a formação da placa equatorial.

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Fase da mitose em que ocorre a formação da placa equatorial: _________________________

3. Explique qual a importância do Crossing Over. ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

4. Complete a cruzadinha, na ordem, com as subfases da prófase I da meiose e escreva qual a subfase na qual ocorre o Crossing-Over:

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Subfase da Profase I em que ocorre o Crossing-Over: _______________________________

5. Sabendo os processos que ocorrem em cada fase da mitose, relacione as colunas A e B: Coluna A Coluna A Há formação da placa equatorial, ou seja, os A Prófase cromossomos se dispõem na posição mediana da célula Desaparecimento das fibras do fuso, organização da carioteca e do nucléolo, B Metáfase descondensação dos cromossomos. Fim da cariocinese e início da citocinese Os cromossomos atingem seu grau máximo C Anáfase de condensação e se colocam no equador do fuso acromático Divisão longitudinal do centrômero. D Telófase Cromossomos-filhos migram para os polos da célula, orientados pelas fibras do fuso

6.NOÇÕES DE GENÉTICA E SUAS APLICAÇÕES O próximo assunto que iremos abordar será a Genética. Você sabe o que estuda a genética? Bem, ela é o ramo da Biologia que estuda a herança biológica ou hereditariedade. E o que é a hereditariedade?

Você já deve ter percebido que algumas características suas, como o formato do rosto, nariz, boca, cor dos olhos e da pele, são parecidas ou até iguais a dos seus pais ou avós, não é? Ou com certeza já deve ter ouvido alguém falando: nossa, seu filho é a sua cara! Isso se deve à hereditariedade ou herança biológica, que é a transmissão de características de pais para filhos, de geração para geração. Para entendermos os conceitos de genética precisamos relembrar alguns outros conceitos que já estudamos em aulas passadas. Aprendemos que o material genético (DNA) contém informações que expressam características como a cor dos nossos olhos e da nossa pele, através das proteínas produzidas a partir dessas informações, pelos processos de transcrição e tradução e que nosso material genético é gerado a partir do DNA dos nossos pais, pela fusão dos gamelas feminino e masculino no processo denominado fecundação. Muito bem, então vamos começar!

6.1. A 1ª Lei de Mendel A transmissão das características hereditárias de pais para filhos sempre foi um assunto que levantou questionamentos por partes dos estudiosos e tem levantado até hoje. Como as características são passadas de pais para filhos? Por que em uma mesma família os filhos são diferentes entre si, mas ainda assim parecidos com seus pais? Por que pais de olhos castanhos podem ter filhos de olhos azuis ou verdes? O que determina se o bebê é do sexo feminino ou masculino? Estas são apenas algumas das questões que intrigaram durante muito tempo os cientistas e que só puderam ser devidamente respondidas com o advento de descobertas importantes como: a existência dos gametas, o processo de fecundação, os processos de divisão celular (especialmente a meiose), o DNA. Vamos conhecer um pouco da história da genética? É importante termos noção de como o conhecimento científico é construído no decorrer dos anos. Vamos lá!

Na antiga Grécia, Empédocles de Acragas (429-432 a.C.) acreditava que o sexo dos bebês era determinado pela temperatura do útero da mulher, se fosse quente a criança seria homem e se fosse frio a criança seria mulher. Já Hipócrates (460-370 a.C), conhecido como o pai da medicina, propôs que os descendentes (filhos) eram formados a partir de partículas hereditárias, denominadas de gêmulas, produzidas em cada órgão do corpo que migravam para o sêmen do macho e da fêmea e assim eram transmitidas durante a concepção para os filhos. Essa teoria foi chamada de pangênese e teve importantes adeptos como: Jean-Baptiste Lamarck e Charles Darwin (responsável pela teoria da evolução das espécies). Aristóteles (384-322 a.C) acreditava que os genitores tinham funções diferentes, a fêmea era responsável pela nutrição e fornecimento de matéria básica do novo ser, já o macho fornecia a alma, a "essência" desse ser. As idéias do filósofo influenciaram outras teorias como a teoria do pré-formismo, que defendia a existência de um ser pré-formado no óvulo ou no esperma, e a epigênese, que defendia que a fêmea produzia o óvulo que continha um material amorfo com potencial de gerar um novo ser e o macho contribuía com a força essencial (vis essenciais) para que isso ocorresse. E essas teorias permaneceram por muito tempo, sendo consideradas verdadeiras! Claro que hoje sabemos que não fazem o menor sentido, mas naquela época nem ao menos se conhecia a existência do nosso material genético, então é de se entender o caráter fantasioso destas teorias. A descoberta dos gametas, dos cromossomos e da divisão celular possibilitou avanços na genética e a publicação dos trabalhos de Gregor Mendel (1822-1884) responderam muitas das questões que haviam sido feitas anteriormente. Mendel descobriu que as características hereditárias são herdadas segundo algumas regras bem definidas e ainda propôs explicações para elas, fato que fez com que ele ficasse conhecido como o Pai da Genética. Estas regras ou leis são utilizadas até hoje e são o foco principal desta aula. Você deve prestar ainda mais atenção daqui para frente para entendê-las, combinado? Mendel era monge e tinha conhecimentos sobre Ciências Agrárias e Matemática, o que possibilitou que ele realizasse seus experimentos com plantas e interpretasse seus resultados. No que consistiram os experimentos de Mendel? Basicamente, ele fez cruzamento de plantas e observou as características que eram passadas das plantas-mães para as plantas-filhas. Para isso, ele utilizou em seus estudos uma espécie de ervilha que possuía diversas características favoráveis, hereditárias ou fáceis de serem observadas, como: cor da ervilha, superfície lisa ou rugosa, tamanho da planta, ciclo reprodutivo curto, alto número de descendentes (Tabela 6.1). Tabela 6.1 - Características estudadas por Mendel em seus experimentos CARACTERÍSTICAS Cor das flores Cor das ervilhas Forma das sementes Posição da flor Altura das plantas Cor da vargem Forma das vagens

DOMINATE Púrpura Amarela Lisa Auxiliar Altas Verde Lisa

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia.

RECESSIVA Branca Verde Rugosa Terminal Baixas Amarela Ondulada

Para esta aula vamos olhar apenas para a característica cor das ervilhas (Figura 6.1). O que Mendel observou foi que ao cruzar duas ervilhas puras (geração P, geração parental), uma amarela e uma verde, eram geradas apenas ervilhas amarelas. Ele chamou esta geração de Geração F1. Posteriormente, ao cruzar as ervilhas da geração F1 entre si ele observou que a característica de cor verde ressurgia na geração F2. Figura 6.1 - Experimento Realizado por Mendel

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia.

Você deve ter notado as letras que estão dentro das ervilhas da Figura 6.1, não é? Estas letras representam os alelos que serão explicados mais adiante. Com base em seus experimentos Mendel lançou a suas Leis, as chamadas Primeira e Segunda Leis de Mendel.

A Primeira Lei de Mendel

Cada característica é determinada por dois fatores que se separam na formação dos gametas, onde ocorrem em dose simples, isto é, para cada gameta masculino ou feminino encaminha-se apenas um fator

Quando Mendel lançou sua Primeira Lei ainda não se tinha conhecimento dos genes, mas hoje sabemos que os fatores aos quais Mendel se referiu são os genes e que estes possuem duas versões. Estas versões são chamadas de alelos e estão localizadas nos pares de cromossomos homólogos. Vamos relembrar! O que são os genes? São sequências do DNA que possuem a informação necessária para a síntese de RNA.

E o RNA onde vai ser utilizado? No processo de síntese protéica. E os cromossomos homólogos? Você lembra que o ser humano possui 23 pares de cromossomos, sendo um deles, o par sexual? Pois é, estes 23 pares são conhecidos como pares de cromossomos homólogos. Por que homólogos? Porque eles são parecidos, homólogos quer dizer parecidos. Observe a Figura 6.2, onde é mostrado um par de cromossomos homólogos e dois alelos de um gene. Figura 6.2 - Par de cromossomos homólogos e os dois alelos de um gene

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia.

O que significam essas letras (A e a)? Bom, em genética nós representamos os alelos de um gene por letras. Letras maiúsculas representam características dominantes, ou seja, características que predominam na população. No caso das ervilhas, se nós pegarmos um punhado de ervilhas e contarmos quantas são amarelas e quantas são verdes, perceberemos que a maioria é amarela, pois esta é a característica dominante dela, então representamos o alelo que codifica a característica amarela por meio da letra A (deve ser maiúscula!). Características que não são dominantes são chamadas de características recessivas e são determinadas por alelos recessivos, representados pela letra a (deve ser minúscula!). Na ervilha, qual é a característica de cor que é recessiva? Verde, pois é menos comum na população. Observe novamente a Figura 6.1, dessa vez preste atenção nas letras dentro das ervilhas. O que as ervilhas amarelas têm em comum? Se você respondeu a letra A você acertou. Todas as ervilhas que possuem o alelo A são amarelas, seja ele associado a outro alelo A (AA) ou associado a um alelo a (Aa). Isso é uma característica comum aos alelos dominantes, pois mesmo que eles estejam “misturados” com alelos recessivos, ainda assim sua característica vai prevalecer. Os alelos recessivos não conseguem gerar sua característica se estiverem junto com um alelo dominante (Aa), apenas se estiverem sozinhos, ou seja, a ervilha só será verde se possuir os dois alelos recessivos (aa). Bom, metade da Primeira Lei de Mendel nós já entendemos, que é o fato de cada característica ser determinada por dois fatores. Agora, vamos entender a segunda parte: a separação destes fatores. Na aula passada vocês viram processos de divisão celular, lembram? Mitose e meiose. No caso iremos destacar a meiose, a qual é um tipo de divisão que tem como finalidade diminuir o número de cromossomos da célula para a metade (de 46 para 23 no espermatozóide ou no óvulo). Isso possibilita que na fecundação o organismo formado possua exatamente o mesmo número de cromossomos da espécie, 46 cromossomos e não 92. Se não ocorresse meiose, seriam 46 do pai + 46 da mãe! 39

Lembrem que no processo de meiose ocorre a separação dos cromossomos homólogos. Ou seja, ocorre também separação de alelos (os fatores referenciados por Mendel em sua Primeira Lei). Então, resumindo: cada característica é determinada por um par de alelos e estes alelos se separam no processo de formação dos gametas, de forma que cada espermatozóide/óvulo só possui uma versão de cada alelo. Vamos entender melhor: Uma ervilha que possui os alelos Aa pode gerar gametas com A ou com a. Nunca é formado um gameta Aa, pois os alelos se separam junto com os cromossomos homólogos. Quando um espermatozóide que possui, por exemplo, o alelo A se funde a um óvulo que possui o alelo a, o novo ser formado é Aa e a característica que irá se desenvolver será aquela determinada por A, pois como vimos letras maiúsculas representam alelos dominantes. Um bom exemplo para entendermos isso é uma doença que se caracteriza por um padrão de herança recessiva chamada Albinismo. Pessoas albinas não possuem a enzima tirosinase, que é responsável pela síntese de melanina no nosso organismo. Se a pessoa não tem melanina ela vai ser excessivamente branca e todos os seus pelos também não possuirão cor. Dizer que o albinismo segue um padrão de herança recessiva, significa dizer que uma pessoa só será albina se possuir os dois alelos recessivos, ou seja, se ela for aa. Indivíduos que são Aa não possuem albinismo, porém podem ter filhos albinos, pois estes indivíduos produzem gametas com o alelo a que podem se juntar com outro alelo a do gameta de outra pessoa, gerando um filho albino. Um conceito importante dentro da genética é o conceito de indivíduos homozigóticos e heterozigóticos. Indivíduos homozigóticos são aqueles que geram apenas um tipo de gametas, ou seja, são os indivíduos aa ou AA. Os indivíduos heterozigóticos são aqueles que geram dois tipos de gametas, ou seja, são os indivíduos Aa. Outro conceito importante para nós é o conceito de fenótipo e genótipo. Genótipo diz respeito à constituição genética do indivíduo, que genes ele possui em seu DNA. O fenótipo são as características decorrentes da expressão do genótipo e da interação deste com o ambiente. Por exemplo, uma pessoa possui genótipo (genes) para ter a pele branca (fenótipo que se espera que ela tenha), mas se ela se expõe bastante sol (interação com o ambiente) pode apresentar a pele mais escura, já que a radiação solar influencia na produção de melanina, afetando a cor da pele e assim modificando seu fenótipo.

A Segunda Lei de Mendel

Os fatores para duas ou mais características segregam-se no híbrido, distribuindo-se independentemente para os gametas, onde se combinam ao acaso

Bom, nesta lei Mendel passa a considerar mais de uma característica. Ou seja, mais de um par de alelos. Ela nos diz que os vários alelos que nós possuímos se separam independentemente uns dos outros, ou seja, um não influencia na separação do outro no 40

momento da formação dos gametas. Então um indivíduo que possui genótipo VvAa (perceba que são dois pares de alelos, ou seja, duas características diferentes estão sendo observadas), pode gerar gametas VA, Va, vA e va. Leia novamente a Segunda Lei de Mendel para entender melhor o que acabamos de explicar.

6.2. Sistema ABO Vimos que dois alelos (um par de alelos) definem uma característica, agora veremos os alelos múltiplos: heranças que possuem três ou mais alelos, como o tipo sanguíneo. Você sabe qual o seu tipo sanguíneo? Sabemos que existem quatro tipos de sangue, os tipos A, B, AB e O. O médico austríaco Karl Landsteiner (1868-1943) observou que ao se misturar o sangue de pessoas diferentes, na maioria dos casos, formavam-se aglomerados e o sangue deixava de ser líquido, devido a uma reação imunológica entre uma substância presente nas hemácias e no plasma, que vamos estudar mais a frente. Uma curiosidade: originalmente o tipo O (/ó/) era na verdade o número zero e não a vogal “ó” como conhecemos. Há uma razão para isso que você verá mais adiante. Vamos analisar o genótipo dos grupos sanguíneos. Existem três alelos responsáveis por essa característica, os quais representamos por IA, IB e i. Veja na Tabela 6.2 os possíveis genótipos e fenótipos dos grupos sanguíneos. Tabela 6.2: Genótipo x Fenótipo dos grupos sanguíneos FENÓTIPO A B AB O

GENÓTIPO IA IA ou IA i IB IB ou IB i IA IB ii

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia.

Podemos ver que existe uma dominância entre o alelo IA e o alelo i, pois quando juntos IA i o fenótipo é sangue tipo A, então o IA é o alelo dominante e o recessivo será o alelo i. A mesma coisa acontece com os alelos IB e i, quando juntos IB i, o fenótipo é o sangue tipo B e assim o alelo IB é dominante e i recessivo. Notamos também que no caso da junção dos alelos IAIB não há dominância entre eles e por isso o sangue é tanto do tipo A quanto do tipo B, sendo assim AB. Nesse caso dizemos que esses alelos apresentam codominância. Na codominância, os dois alelos são funcionais e expressam-se simultaneamente. Mas o que caracteriza, na prática, o sangue ser do grupo A ou B ou AB ou O ? O gene para grupo sanguíneo fornece informações necessárias para a síntese de uma glicoproteína encontrada na superfície externa das nossas hemácias (células do sangue), que Landsteiner denominou de aglutinogênio. Há dois tipos diferentes aglutinogênio: A e B.

Agora iremos conhecer qual dessas glicoproteínas existe nas hemácias de cada grupo sanguíneo. Observe a ilustração na Figura 6.3. Figura 6.3: Glicoproteínas presentes nas hemácias

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Pessoas com sangue tipo A possuem na superfície de suas hemácias a aglutinogênios A e, seguindo a lógica, pessoas com sangue do grupo B terão aglutinogênios B. Já no sangue AB, os dois tipos estam presentes nas hemácias e o sangue O não possui aglutinogênios. Lembra que esse grupo era denominado zero?. Você sabe o que são anticorpos? São moléculas que tem a função de sinalizar (avisar)para outras células do sistema imunológico a presença de organismos/corpos estranhos, como bactérias e vírus. Landsteiner encontrou anticorpos no plasma sanguíneo e os chamou de aglutininas

No caso do sangue, você consegue imaginar quem são esses corpos estranhos? Sim, são os aglutinogênios. Vamos usar o exemplo de uma pessoa do grupo A, como já sabemos ela possui uma glicoproteína na superfície de suas hemácias, que caracteriza o grupo sanguíneo A. Então o que será estranho para ela é uma hemácia com aglutinogênio B, assim terá no seu plasma um anticorpo (aglutinina) para esse corpo estranho, chamamos, portanto de anti-B. Por esse motivo pessoas com sangue A não podem receber sangue B ou AB. E uma pessoa do grupo O? Terá que tipo de anticorpos em seu plasma? Sabemos que essa pessoa não possui aglutinogênios em suas hemácias, então para ela os dois tipos são estranhos, assim em seu plasma encontramos anticorpos B (anti-B) e A (anti-A). E para os grupos AB e B? Quais são os anticorpos presentes no sangue?

Veja a Tabela 6.3 para verificar se acertou.

Tabela 6.3 - Associação entre Grupo sanguíneos, fenótipos, genótipos, aglutinogênios e aglutininas (anticorpos)

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia.

6.3. Sistema Rh Outro fator importante na transfusão de sangue é o sistema Rh (sistema Rhesus). Quando perguntamos a uma pessoa qual seu tipo de sangue, normalmente elas respondem além do A ou B ou AB ou O se são + (positivo) ou - (negativo), por exemplo A + (A positivo). Você sabe o que é esse + ? Isso se refere ao fator Rh, que vamos estudar agora. Esse sistema é definido pela presença de uma proteína na superfície externa das hemácias e, assim, pessoas que a possui são Rh + e as que não a possui são Rh -. Analisando o genótipo, verificamos que o alelo para o fator Rh é dominante e assim pessoas Rh - possuem dois alelos recessivos (Tabela 6.4). Tabela 6.4 - Genótipo x Fenótipo do sistema Rh FENÓTIPO Rh positivo (+) Rh negativo (-)

GENÓTIPO RR ou Rr rr

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia.

Assim como no Sistema ABO, no Sistema Rh há anticorpos específicos, aos quais denominamos anti-Rh. Esses anticorpos estarão presentes em indivíduos Rh -, já que suas hemácias não contém a proteína que determina o fator Rh. Esses anticorpos serão produzidos pelo organismo de uma pessoa Rh - quando esta pessoas receber transfusão sanguínea de pessoa Rh +.

6.4. Compatibilidade e identificação sanguínea Com a descoberta dos grupos sanguíneos, o sistema ABO e o sistema Rh, a transfusão de sangue tornou-se segura. Vamos analisar o que aprendemos até agora sobre a compatibilidade sanguínea. Vamos começar pelo Sistema ABO (Figura 6.4). Figura 6.4: Compatibilidade sanguínea.

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

•

O grupo A pode doar para ele mesmo (A) e para o grupo AB. As hemácias do grupo doador possuem o aglutinogênio A e assim, poderá doar para grupos que também possuem essa proteína na superfície externa de suas hemácias, os grupos A e AB.

•

O grupo B pode doar para ele mesmo (B) e para o grupo AB. As hemácias do grupo doador possuem o aglutinogênio B e assim, poderá doar para os grupos que também possuem essa proteína na superfície externa de suas hemácias, os grupos B e AB.

•

O grupo AB pode doar somente para ele mesmo (AB). As hemácias do grupo doador possuem o aglutinogênio A e B e assim, poderá doar para grupos que também possuem as duas proteínas, o grupo AB.

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O grupo O pode doar para ele mesmo (O) e para os grupos A, AB e B. As hemácias do grupo doador não possuem aglutinogênio e assim, poderá doar para todos os grupos: A, B, AB e O.

Então analisando somente o sistema ABO, podemos afirmar que o doador universal, ou seja, o grupo sanguíneo que é compatível com todos os outros é o grupo O e o receptor universal, que pode receber sangue de qualquer grupo é o grupo AB (Figura 6.5) .

Figura 6.5: Reações do sangue do receptor aos anticorpos do doador (Sistema ABO)

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

E o Sistema Rh?

DOADOR

O grupo Rh+ pode doar somente para ele mesmo (Rh+) e receber de ambos (Rh+ e Rh-). O grupo Rh- pode doar para ele mesmo (Rh-) e para o grupo Rh+, e receber somente do Rh - (Tabela 6.5, Figura 6.6). Tabela 6.5 - Anticorpos anti-Rh na doação de sangue (Sistema Rh) RECEPTOR RECEPTOR Sangue Rh + Sangue Rh Sim Não Sangue Rh + Sim Sim Sangue Rh Doador Universal Receptor Universal Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Figura 6.6: Reações do sangue do receptor aos anticorpos do doador (Sistema Rh)

Doador universal é o grupo O Rh– (O-) Receptor universal é o grupo AB Rh+ (AB+)

Agora vamos conhecer como é realizado o teste de identificação do grupo sanguíneo? Inicialmente deve ser colocada uma gota de cada uma das três soluções de anticorpos em uma lâmina: Solução anti-A Solução anti-B Solução anti-Rh Em seguida, uma gota do sangue em análise é colocada sobre cada solução, e misturada. A partir desse momento observa-se a ocorrência ou não de aglutinação. Observe os resultados obtidos em uma tipagem sanguínea para os sistemas ABO e Rh (fator Rh) na Figura 6.7 e descubra qual o tipo sanguíneo. Figura 6.7: Resultado de tipagem sanguínea para o grupo sanguíneo ABO e fator Rh

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Como já sabemos, o anti-A, encontrado no sangue B, irá reagir com os aglutinogênios A, presentes em hemácias A, formando aglomerados. Então podemos concluir pela tipagem sanguínea da Figura 6.7, que se trata de sangue do grupo A. Esse sangue também formou aglomerados com anti-Rh, dai que podemos concluir que é um sangue Rh +. Então, analisando os resultados podemos concluir que o sangue é do grupo A+

6.5. Doenças ligadas a cromossomos sexuais Conhecemos heranças em que os genes estavam em cromossomos somáticos. Agora vamos estudar genes localizados nos cromossomos sexuais. E quais são os cromossomos sexuais? O cromossomo X e o cromossomo Y. São eles que definem o sexo do feto. Na nossa espécie, para ser fêmea é necessária a presença de dois cromossomos X e para ser macho, a presença de um cromossomo X e um cromossomo Y. Assim o genótipo da mulher será XX e do homem XY. Como podemos observar existem dois diferentes cromossomos sexuais, o X e o Y. Portanto, as heranças podem ser ligadas ao X, em que tanto a mulher quanto o homem podem apresentar, ou ligadas ao Y, em que somente o homem pode apresentar. Denominamos de heranças ligadas ao sexo aquelas relacionadas ao cromossomo X, tendo como exemplo o daltonismo e a hemofilia. E de heranças restritas ao sexo ou holândricas aquelas relacionadas com o cromossomo Y, como a hipertricose auricular.

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Herança ligada ao sexo

Um exemplo de herança ligada ao sexo é o daltonismo. Mas você sabe o que é daltonismo? Existem diversos tipos de daltonismo, mas essa doença é caracterizada pela incapacidade do portador de distinguir algumas cores, por exemplo, a cor verde da vermelha. Geneticamente falando, essa herança é determinada por um gene recessivo, assim vamos representá-lo pela letra d e o alelo para a visão normal pela letra D. Para o sexo feminino temos três possibilidades de genótipo: XDXD

XdXd

XDXd

Quando o genótipo for XDXD e XDXd a mulher terá visão normal, já que o alelo D é dominante sobre o alelo d. Então, a única possibilidade de uma mulher ser daltônica é tendo o genótipo XdXd, sendo os dois alelos recessivos. Para o sexo masculino temos duas possibilidades de genótipo: XDY

XdY

Existem somente duas combinações possíveis, uma para visão normal (XDY) e outra para daltonismo (XdY). Você percebeu que no sexo feminino temos três combinações de genótipo e só uma define a doença e nos homens temos somente duas combinações e uma define a doença? Sempre para heranças ligadas ao sexo de caráter recessivo o sexo masculino terá maior probabilidade de apresentar a doença do que o sexo feminino. E no caso de heranças de caráter dominante isso se inverte, a mulher terá mais chances do que o homem. 47

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Herança restrita ao sexo

Nesse caso como já falamos somente o homem apresenta esse tipo de característica e ela é transmitida de pai para filho sempre de geração para geração. E como exemplo tem-se a hipertricose auricular, que é uma condição caracterizada pela presença de pelos na orelha.

6.6. O que aprendemos nessa aula? A Primeira Lei de Mendel diz que cada característica hereditária é codificada por um par de alelos que se separam no processo de formação dos gametas, de forma que cada gameta possui somente um alelo para cada característica. Os alelos podem apresentar relação de dominância, dominância incompleta ou codominância. Indivíduos com os dois alelos iguais (exemplo AA ou aa) são chamados de homozigotos e com alelos diferentes (exemplo Aa) de heterozigotos. E a Segunda Lei de Mendel leva em conta mais de uma característica de uma só vez e diz que os pares de fatores se segregam independentemente uns dos outros no processo de formação dos gametas. O genótipo está relacionado à constituição genética do organismo, não se alterando com o tempo e não sofrendo influência do ambiente. Já o fenótipo está relacionado às características percebidas, como cor da pele, cor dos olhos, estilo do cabelo, e sofre influência do tempo e do ambiente. Existem quatro tipos de grupos sanguíneos, A, B, AB e O, que são caracterizados pelo tipo de aglutinogênio presente ou não na superfície das hemácias e pela presença ou não de anticorpos no plasma. Cada grupo também pode ser Rh+ ou Rh-. Aprendemos que o doador universal é O- e o receptor universal AB+, e que no teste de identificação sanguínea são utilizadas soluções de anticorpos: anti-A, anti-B e anti-Rh. As heranças podem ser ligadas ao sexo, quando o gene se localiza no cromossomo sexual X, ou restritas ao sexo, quando o gene está no cromossomo Y.

6.7. Exercícios 1. Analise as afirmações abaixo colocando (V) para verdadeiro e (F) para falso. A Gregor Mendel é conhecido como o pai da genética devido a importância de suas duas Leis, conhecidas como Primeira e Segunda Leis de Mendel B Os experimentos de Mendel foram realizados com plantas, o que impossibilita que suas Leis sejam aplicadas para estudar as características hereditárias dos seres humanos C As letras maiúsculas e minúsculas usadas em genética representam alelos, que são versões de um mesmo gene D Cada característica hereditária é codificada por um par de alelos E Podemos resumir corretamente a Primeira Lei de Mendel da seguinte forma: cada característica hereditária é codificada por um par de fatores e estes fatores se separam no processo de formação dos gametas

2. Marque a alternativa que melhor completa a frase: com relação a Primeira Lei, a Segunda Lei de Mendel é: A Menos abrangente, pois ela considera apenas algumas características hereditárias de cada vez B Mais completa, pois fala da separação dos fatores na formação dos gametas, fato não abordado na Primeira Lei C Mais abrangente, pois leva em conta mais de uma característica de cada vez, ou seja, mais de um par de fatores, e acrescenta a informação de que estes fatores se separam independentemente uns dos outros no processo de formação dos gametas D Menos completa, pois sequer cita os fatores considerados na Primeira Lei 3. Associe a coluna 1 com a coluna 2: Coluna 1 A Genótipo B Fenótipo C Homozigoto D Heterozigoto

Coluna 2 AA Composição dos genes de um indivíduo Aa Características físicas

4. Complete os espaços em branco com o(s) possível (eis) genótipo (s): Mulher com sangue tipo A e heterozigota Pessoa com sangue tipo AB Pessoa com sangue tipo O Criança com sangue tipo B + Pessoa com albinismo Mulher com daltonismo Homem sem daltonismo 5. Imagine as seguintes situações sobre transfusão sanguínea e marque a alternativa que corresponde a transfusões seguras, ou seja, compatíveis. ITEM I II III IV A B C D E

PACIENTE Sangue A + Sangue AB Sangue O Sangue B -

Itens I, II e IV Itens II e IV Itens II e III Itens I e IV Todos os itens

DOADOR Sangue A Sangue B + Sangue B Sangue O -

7.BIOTECNOLOGIA E ENGENHARIA DIAGENÉTICA NO DIA -A-DIA Nas aulas anteriores aprendemos e observamos muitos aspectos da Biologia Celular e Molecular. Mas, como podemos utilizar na prática esses conceitos no nosso dia a dia? Pois bem, nesta aula aprenderemos como e onde esses conhecimentos são aplicados. Como o tema da aula é Biotecnologia e Engenharia Genética no dia a dia, precisamos fazer e responder algumas perguntas: O que é Biotecnologia? A palavra biotecnologia tem origem grega: bio = vida, logos = conhecimento, tecnos = práticas em ciência. Entende-se por biotecnologia o conjunto de técnicas que envolvem a manipulação de organismos vivos para a obtenção ou modificação de produtos de interesse humano. Essa é uma prática utilizada pelo homem antes mesmo dele ter conhecimento do mundo microbiano, sendo assim a produção de pão e de vinho são exemplos de biotecnologia. Já entendemos o que é Biotecnologia, mas falta ser feita outra pergunta: O que é Engenharia Genética? É um conjunto de técnicas que envolvem a manipulação do DNA. A engenharia genética tornou possível cortar ou modificar essas moléculas, utilizando enzimas específicas, as enzimas de restrição, as quais serão explicadas posteriormente. Alguns exemplos da aplicação da engenharia genética são: obtenção de organismos transgênicos e de organismos geneticamente modificados (OGM), clonagem terapêutica, testes altamente precisos de paternidade e de identificação humana e a localização de genes associados a doenças.

7.1 Enzimas de Restrição As enzimas de restrição são macromoléculas existentes em bactérias, que atuam realmente como tesouras biológicas, capazes de cortar a dupla hélice do DNA em pontos específicos e com grande precisão. Nas bactérias essas enzimas atuam como moléculas de defesa, que cortam moléculas de DNA estranhas a elas, como o DNA de um vírus invasor, o bacteriófago ou fago.

Fonte: http://dnaeoutrascoisas.blogspot.com.br/

Utilizando as enzimas de restrição os cientistas conseguem cortar o DNA de dois tipos de organismos diferentes, e após colá-los (com a DNA ligase), obtem um DNA recombinante (DNA rec) (Figura 7.1), isto é, um DNA resultante da junção de materiais genéticos de organismos diferentes.

Figura 7.1 : DNA recombinante

Fonte: http://www.portalsaofrancisco.com.br/

7.2 Melhoramento genético Muito bem, o melhoramento genético é uma ciência que utiliza plantas, animais e micro-organismos para a obtenção de indivíduos ou populações com características desejáveis, a partir do conhecimento e do controle genético destas características. Atualmente, a principal demanda no melhoramento genético de plantas está relacionada à resistência a doenças, à obtenção da estrutura adequada da planta e a características nutricionais e industriais exigidas pela cadeia produtiva. Um dos principais problemas relacionados ao processo é a obtenção de linhagens com poucas diferenças entre os indivíduos da população. Esse fato poderia levar a uma diminuição da adaptação dos indivíduos a variações ambientais, como por exemplos, pragas nas lavouras.

7.3 Transgênicos e Organismos Geneticamente Modificados (OGM) Quando compramos alimentos industrializados, devemos observar o canto da embalagem. Se houver um triângulo amarelo com a letra T dentro dele (Figura 7.2), isto indica que o produto contém pelo menos 1% de um ingrediente de origem transgênica.

Figura 7.2: Símbolo usado para indicar que o alimento possui ingredientes transgênicos

Fonte: http://danielebarreto.com.br/

Fonte: http://embalagemsustentavel.com.br/

Mas, espera um pouco, o que é um transgênico? Transgênicos são organismos que recebem genes de outras espécies. São obtidos visando à produção de substâncias úteis para o ser humano. E os OGM? Transgênicos e OGM são iguais? Não. Transgênicos são organismos que receberam um gene exógeno (de outro organismo), já OGM são organismos que tiveram seu genoma modificado, por adição, deleção, alteração ou silenciamento de sequências do seu genoma. Plantas e bactérias são muito utilizadas para a obtenção de transgênicos. As plantas transgênicas podem ser mais resistentes a pragas e ao estresse hídrico (seca) ou produzirem alimentos com maior valor nutricional. As bactérias transgênicas são usadas para a produção de insulina (utilizada pelos diabéticos), hormônio de crescimento, anticorpos específicos, entre outros.

Produção de insulina humana em células bacterianas Mas o que é Insulina?A insulina é uma proteína, é um hormônio produzido pelo pâncreas (uma glândula), responsável pela entrada de glicose nas células e, consequentemente, redução do nível de glicose no sangue. Nos indivíduos portadores de diabetes mellitus, a produção de insulina no pâncreas é insuficiente. Antes da engenharia genética, muitos diabéticos recebiam insulina extraída de animais, como ovelhas, vacas e porcos. Porém, a insulina desses animais não é exatamente igual à humana e alguns diabéticos apresentavam alergia a ela. Atualmente os diabéticos utilizam a insulina obtida através de bactérias transgênicas.

A insulina produzia por essas bactérias é idêntica à insulina produzida pelo pâncreas humano. Mas como isso é possível?As bactérias possuem, além do DNA circular, que constitui seu material genético cromossômico, outras moléculas de DNA circular menores, chamadas plasmídeos (Figura 7.3). Eles não são essenciais para a vida da bactéria e podem ser utilizados para na produção de proteínas que o homem precisa.

Figura 7.4: Cromossomo e Plasmídeos bacterianos

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Os plasmídeos utilizados na engenharia genética são construídos em indústrias especializadas. São cortados com enzimas de restrição, passando de uma molécula circular a uma molécula linear. Quando os plasmídeos lineares são misturados com pedaços de DNA de outro organismo, na presença de uma enzima chamada DNA ligase (enzima que ao invés de cortar, cola os dois pedaços de DNA) produzem um DNArecombinante ou DNA rec (Figura 7.4) .

Figura 7.4: DNA Recombinante

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia

Os plasmídeos recombinantes são colocados no interior das bactérias, que se tornam capazes de produzir a proteína codificada pelo gene estranho a elas. Esse gene estranho pode ser o gene humano responsável pela síntese do hormônio insulina, por exemplo. As bactérias multiplicam-se originando bactérias-filhas, que herdam o seu material genético, inclusive o plasmídeo recombinante, com isso, tem-se em um tempo curto uma grande quantidade de bactérias idênticas às originais e capazes de produzir insulina recombinante de maneira rápida e barata.

Transgênicos: riscos e benefícios Para algumas pessoas, os transgênicos causam medo. Na opinião delas, podem ocorrer efeitos indesejados, como a transferência de material genético, a produção de proteínas alergênicas, a produção de compostos tóxicos e a redução da qualidade nutricional dos alimentos, seja a curto ou longo prazo. Entretanto, não existem evidencias cientificas que justifiquem esse medo, nem a ocorrência desses efeitos.

Por outro lado, o cultivo e a comercialização de transgênicos podem proporcionar grandes vantagens como: Tornar as plantas mais resistentes a pragas agrícolas diversas, diminuindo a necessidade do uso de agrotóxicos, beneficiando o ambiente e a saúde humana. Produzir alimentos de valor nutricional aumentado, enriquecidos com vitaminas e aminoácidos, entre outros nutrientes, e contribuir para o controle de certas doenças como as anemias nutricionais, deficiência de vitaminas, entre outras. Aumentar a produtividade agrícola com colheitas mais abundantes por hectares de área plantada, reduzindo a quantidade de áreas cultivada e diminuindo o risco de degradação do solo, atualmente um dos mais preocupantes problemas ambientais. Produzir medicamentos (insulina, hormônio do crescimento) e vacinas (hepatite B) eficazes seguros e de baixo custo.

7.4 Células-tronco As células-tronco podem ser classificadas em totipotentes e pluripotentes ou multipotentes. As células-tronco totipotentes são capazes de se diferenciar em todos os tecidos do corpo humano e são encontradas nos embriões nas primeiras fases de divisão, quando o embrião tem de 16 a 32 células, (3 ou 4 dias de vida). As células-tronco pluripotentes ou multipotentes são aquelas capazes de se transformar em quase todos os tecidos, exceto placenta e anexos embrionários, são encontradas em embriões com 32 a 64 células, a partir do 5º dia de vida. Células-tronco oligopotentes se diferenciam em poucos tecidos. Células-tronco unipotentes se diferenciam em um único tecido. Existem dois tipos de Células-tronco. E quais são eles? Células-tronco embrionárias: Todo mundo já ouviu falar nas células-tronco embrionárias, mas sabem onde se encontram e por que são tão famosas assim? Elas são encontradas apenas em embriões, nas fases iniciais da divisão celular, isto é, na fase de blastócito, 4 a 5 dias após a fecundação. As células-tronco embrionárias são particularmente importantes porque podem se diferenciar em todos os outros tipos de células, aproximadamente 216 tipos (Figura 7.5). Células-tronco adultas: São encontradas em tecido e órgãos já diferenciados do organismo, principalmente na medula óssea e no sangue do cordão umbilical. Menos versáteis que as embrionárias, são classificadas como multipotentes (Figura 7.6)

Figura 7.5 - Desenvolvimento embrionário: do zigoto ao indivíduo adulto

Fonte: http://celulastroncors.org.br/celulas http://celulastroncors.org.br/celulas-tronco-2/

Figura 7.6 - Células-tronco adultas

Fonte: http://celulastroncors.org.br/celulas http://celulastroncors.org.br/celulas-tronco-2/

E as Células-tronco tronco induzidas? Não seriam um terceiro tipo de Células Células-tronco? tronco? Em m 2007, foram produzidas as primeiras células-tronco tronco humanas induzidas, induzidas a partir da pele. Teoricamente, eoricamente, qualquer tipo de célula pode ser induzida, reprogramada, mas as da pele são as mais usadas. Na reprogramação reprogramação, um vírus contendo 4 genes é inserido no DNA da célula adulta, reprogramando o código genético. Dai as células adultas voltam ao estágio de uma célula-troncoo embrionária embrionária, podendo então se diferenciarem iferenciarem em qualquer tecido (Figura 7.7). Estas células são chamadas de células-tronco de pluripotência induzida ou pela sigla iPS (do inglês induced pluripotent stem cells).

Figura 7.7 - Esquema da reprogramação das células da pele por inserção de vetores virais

Fonte: http://celulastroncors.org.br/celulas http://celulastroncors.org.br/celulas-tronco-2/

7.5 Clonagem A clonagem é um processo natural ou artificial onde são produzidos organismos geneticamente idênticos.. É um tipo de reprodução assexuada, pois não envolve troca de gametas entre indivíduos. Existem três principais tipos de clonagem: Clonagem Gênica: Consiste na técnica do DNA recombinante, como por exemplo, a realizada no processo de produção de insulina humana em bactérias. Clonagem reprodutiva reprodutiva: A clonagem reprodutiva se refere à produção de seres vivos geneticamente idênticos (cópias idênticas, CLONES). Neste processo, normalmente o núcleo de uma célula reprodutiva (óvulo) é retirado e a célula (sem seu núcleo) recebe o núcleo de uma célula somática (como por exemplo, célula da pele ou da mama), que irá se fundir e se dividir, comportando-se se como um embrião normal. Este embrião é implantado no útero de uma mãe de aluguel e o organismo formado é geneticamente idên idêntico tico ao organismo doador da célula somática. A ovelha Dolly (Figura 77.8), o primeiro clone de mamífero,, foi clonada a partir de células da glândula mamaria de uma ovelha adulta, na Escócia, e viveu de 1996 a 2003. Permanece embalsamada no Museu Real da Escócia, em Edimburgo. Em 17 de março de 2011, nasceu a vaca Vitoria da Embrapa, no Brasil, um clone bovino, o primeiro bovino clonado no Brasil e na América Latina. Morreu aos 10 anos de idade, deixando dois filhos e dois netos, todos nasci nascidos dos de forma natural (Figura 7.9). 7.9 56

Figura 7.8 - Dolly

Figura 7.9 - Vitória

Fontes: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ovelha_Dolly; http://www.embrapa.br/imprensa/noticias/2011

Clonagem terapêutica: O objetivo desta técnica é produzir células-tronco para o tratamento de doenças e produção de órgãos para transplante. Nos procedimentos de Clonagem Terapêutica, os estágios iniciais são idênticos à clonagem reprodutiva, mas que difere no fato do embrião não ser introduzido no útero. O embrião é utilizado em laboratório para a produção de células-tronco e órgãos, que podem ser usados para transplante e tratamento de doenças.

E quais seriam as vantagens e desvantagens da clonagem? Como vantagens da clonagem podemos citar a obtenção de produtos terapêuticos e de órgãos para transplantes e a recuperação de espécies em extinção, entre as muitas que a clonagem pode proporcionar. Falando das desvantagens da clonagem temos que lembrar dos problemas éticos e religiosos, da necessidade de grandes investimentos financeiros e recursos humanos e da elevada taxa de insucesso.

7.6 A engenharia genética a serviço da justiça Você já deve ter assistido algum filme, seriado de TV (figura 7.10) ou programa, em que são mostrados policiais conseguindo identificar um criminoso porque na cena do crime existia um fio de cabelo ou uma gotinha de sangue do suspeito. Mas, como será que com tão pouco material eles conseguiam identificar uma pessoa? Figura 7.10 - CSI: Crime Scene Investigation

Fonte: https://www.labster.com/

Primeiramente, o DNA do material coletado deve ser multiplicado, multiplicado pois geralmente a quantidade achada é insuficiente para realizar os testes necessários. Esse material é multiplicado ou amplificado (termo correto para "replicação do DNA in vitro) vitro através de uma técnica ica de laboratório, denominada Reação em cadeia da polimerase,, a PCR (Polymerase Chain Reaction, do inglês),, que é um método de amplificação (de criação de muitas cópias) de DNA (ácido desoxirribonucleico) ibonucleico) (Figura 7.11 7.11). Em laboratório,, essa técnica simula o que o organismo realiza naturalmente no processo de replicação, in vivo, do DNA. Figura 7.11 – Reação em cadeia da polimerase - PCR DNA molde

Separação das fitas Ligação dos primers

Síntese das fitas-filhas de DNA Ciclos de amplificação

Fonte: Arquivo PET/UFC-Farmácia Farmácia

Em seguida esse DNA é analisado através da técnica de DNA fingerprint, fingerprint onde o DNA é cortado em fragmentos menores ((pedacinhos)) e colocado em um aparelho que identifica sequências específicas do DNA humano que são variáveis e, portanto, são característicos de cada pessoa (Figura 7.12). Figura 7.12 - DNA fingerprint

Fonte: http://blog.canacad.ac.jp/bio/BiologyIBHL1/1298.html

O DNA cortado é visualizado como bandas (traços). Cada pessoa possui um conjunto único e característico dessas bandas, que será uma forma de representar somente aquela pessoa dona do DNA analisado. Essa técnica funciona como uma impressão digital do DNA de cada indivíduo. Apesar dessa variabilidade que permite a individualização, há semelhanças à medida que o grau de parentesco é mais próximo, o que permite a identificação de filhos, pais, irmãos etc. Isso é possível porque herdamos DNA do nosso pai e da nossa mãe, fazendo com que parte do nosso DNA seja semelhante ao DNA de cada um deles e que parte do DNA do nosso irmão seja semelhante ao nosso (já que eles também herdaram parte do DNA dos nossos pais).

7.7 Aconselhamento genético Aconselhamento genético é uma consulta médica especializada para pessoas que estão preocupadas com a ocorrência ou a possibilidade da ocorrência de uma doença genética em sua família. Durante a consulta, os participantes (paciente, parentes) são informados sobre as características da doença, probabilidade de desenvolvê-la e de transmiti-la aos descendentes e possibilidades de tratamento. O aconselhador genético orienta, apoia e esclarece o indivíduo e/ou a família sobre o diagnóstico, o provável curso da doença e as soluções disponíveis, porem não decide o que os pais/paciente/parentes devem fazer ou não.

7.8 Doenças genéticas Para entender um pouco sobre doenças genéticas, primeiro vamos conhecer o que é o cariótipo humano. É o conjunto diploide (2N) de cromossomos das células somáticas de um organismo (Figura 7.13). Figura 7.13 - Cariótipo humano

Fonte: http://dna-origemdavida.blogspot.com.br/2010/10/cariotipo-humano.html

Na espécie humana, as células somáticas possuem 46 cromossomos (2N = 46), agrupados em 23 pares, sendo: 22 pares autossômicos e 1 par alossômico sexual, diferenciando o gênero de um organismo em masculino e feminino.

Agora, vamos falar um pouco sobre três doenças genéticas: a Síndrome de Down, a Síndrome de Turner e a Síndrome de Klinefelter. Síndrome de Down: é um distúrbio genético que ocorre ao acaso durante a divisão celular do embrião. Pode afetar qualquer raça, sexo ou etnia. A pessoa com essa síndrome possui 47 cromossomos, sendo que o cromossomo extra é ligado ao par 21, por isso é conhecida como trissomia do 21 (cariótipo 47, XX,+21). (Figuras 7.14 e 7.15). Figura 7.14 - Cariótipo de uma pessoa com Síndrome de Down

Fonte:http://www.ghente.org/ciencia/genetica/down.htm

Figura 7.15 - Criança com Síndrome de Down

Fonte:http://www.ghente.org/ciencia/genetica/down.htm

Síndrome de Turner: é condicionada por uma anomalia numérica relacionada ao cromossomo sexual, caracterizada pela deleção de um cromossomo X. Os organismos portadores são necessariamente do sexo feminino, possuindo, portanto, apenas 45 cromossomos no núcleo de suas células, 22 pares de cromossomos autossômicos e um único X (cariótipo = 45, X) (Figuras 7.16 e 7.17). Figura 7.16 - Cariótipo de uma pessoa com Síndrome de Tuner

Fonte:http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/sindrome-de-turner/sindrome-de-turner-4.php

Figura 7.17 - Criança com Síndrome de Tuner

Fonte:http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/sindrome-de-turner/sindrome-de-turner-4.php

Síndrome de Klinefelter: relacionada à presença de um cromossomo X a mais no homem, ou seja, é uma anomalia, uma mutação cromossômica numérica. Ela afeta exclusivamente o sexo masculino e estão presentes dois cromossomos sexuais X e um Y (Cariótipo47,XXY) (figuras 7.18 e 7.19). Figura 7.18 - Cariótipo de uma pessoa com Síndrome de Klinefelter

Fonte:http://mvdeficiencia.comunidades.net/index.php?pagina=1343052528_28

Figura 7.19 - Criança com Síndrome de Klinefelter

Fonte:http://mvdeficiencia.comunidades.net/index.php?pagina=1343052528_28

7.9 O que aprendemos nessa aula? O principal objetivo dessa aula foi mostrar para vocês onde podemos aplicar a biotecnologia e a Engenharia Genética no nosso dia a dia. Para isso abordamos alguns tópicos: Enzimas de restrição: o que são, para que servem nas bactérias e como são utilizadas na engenharia genética. O que é o melhoramento genético, onde pode ser utilizado e quais suas vantagens e desvantagens. O uso de transgênicos e de organismos geneticamente modificados (OGMs) e como eles podem ser utilizados para a produção de insulina. Quais seus riscos e benefícios A classificação das células-tronco entre embrionárias e adultas. Clonagem e suas classificações (gênica, reprodutiva e terapêutica), como elas são realizadas e suas vantagens e desvantagens. A Engenharia genética nos testes de paternidade e no reconhecimento de criminosos O que é cariótipo humano e como ele pode ajudar a identificar algumas doenças genéticas

7.10 Exercícios 1. São aplicações da biotecnologia e da engenharia genética: A Obtenção de organismos transgênicos B Teste de paternidade C Clonagem terapêutica D Localização de genes associados a doenças genéticas. E Todas as opções anteriores 2. Marque verdadeiro ou falso. Corrija os itens falsos. A É possível obter insulina humana através de bactérias transgênicas B A engenharia genética não é capaz de melhorar geneticamente alguns organismos C Enzimas de restrição não são úteis para os seres vivos D Uma planta geneticamente modificada pode ser resistente a uma determinada praga E Enzimas de restrição são usadas na criação de um DNA recombinante Espaço para correção dos itens falsos: A B C D E 62

3. Marque o item INCORRETO: A A clonagem é um método exclusivamente artificial B Um exemplo de clonagem gênica é a técnica para produção de insulina humana a partir de bactérias C A clonagem reprodutiva tem como objetivo a produção de cópias idênticas de seres vivos, sejam eles animais, vegetais ou humanos D As células tronco embrionárias podem se diferenciar em todos os outros tipos de células, já as células tronco adultas só conseguem gerar um único tipo de tecido E A Clonagem terapêutica objetiva produzir células-tronco para o tratamento de doenças e produção de órgãos para transplante 4. Marque V (Verdadeiro) ou F (Falso) e corrija os itens falsos. A Uma pessoa com Síndrome de Turner apresenta o cariótipo 47, XXY B A técnica de PCR simula o que o organismo realiza naturalmente no processo de tradução do DNA, possibilitando a obtenção de várias cópias de DNA em pouco tempo C Um homem que tem Síndrome de Down apresenta o cariótipo: 47, XX + 21 D O cariótipo é o conjunto diploide (2N) de cromossomos das células somáticas de um organismo E Uma pessoa com Síndrome de Klinefelter apresenta cariótipo: 45, XY Espaço para correção dos itens falsos: A B C D E

REFERÊNCIAS Amabis, José Mariano & Martho, Gilberto Rodrigues. Biologia: vol 1. 2º edição. Editora Moderna. 2004. Amabis, José Mariano & Martho, Gilberto Rodrigues. Biologia: vol 3. 2º edição. Editora Moderna. 2004. Farah, Solange Bento. DNA: SEGREDOS E MISTERIOS. 2ª edição. Editora: Sarvier. Lopes, Sônia Godoy Bueno Carvalho. BIO 1. 1ª Edição. Editora: Saraiva. 2006. Lopes, Sônia Godoy Bueno Carvalho. BIO 3. 1ª Edição. Editora: Saraiva. 2006. Paulino, Wilson Roberto. Biologia: vol 1 1ª edição. São Paulo, editora Ática, 2002. Paulino, Wilson Roberto. Biologia: vol 3 1ª edição. São Paulo, editora Ática, 2002.

Sites: http://www.infoescola.com/biologia/biologia-molecular/ http://www.biomol.org