MUTAÇÕES

Fenótipo:

Factores ambientais Genoma

Mutações: são alterações ou modificaçõessúbitas em genes ou cromossomas,podendo provocar uma variaçãohereditária ou uma mudança no fenótipo.Pode produzir uma característica favorávelnum dado ambiente e desfavorávelnoutro.

Mutantes: Indivíduos cujo patrimóniogenético sofreu mutação.

Mutações

Podem ser:

génicas quando alteram a estruturado DNA;

cromossómicas quando alteram aestrutura ou o número de cromossomas.

Mutações Génicas

As mutações génicas são responsáveis poralterarem uma ou mais bases no DNA(alterações nos genes) e consequentemente nasproteínas, determinando, muitas vezes, aformação de novas proteínas ou alterando aacção de enzimas importantes no metabolismo.

Mutações Génicas

Podem ocorrer:

nas células germinativas e assim sãotransmitidas hereditariamente;

nas células somáticas podendo provocar aformação de tumores.

Tipos de Mutações GénicasSubstituição ocorre a troca de um ou mais pares debases.• Chama-se transição à substituição de uma purina

por outra ou de uma pirimidina por outra;• Chama-se transversão à substituição de uma

purina por uma pirimidina ou vice-versa.

Purinas: Guanina e AdeninaPirimidinas: Citosina e Timina

Inserção acontece quando uma ou mais basessão adicionadas ao DNA, modificando a ordem deleitura da molécula durante a replicação ou atranscrição.

Deleção acontece quando uma ou mais basessão retiradas do DNA, modificando a ordem daleitura, durante a replicação ou a transcrição.

Efeitos das Mutações...são sempre imprevisíveis...Benéficas (conduzem a características vantajosas);Prejudiciais (alteram o funcionamento normal da célula

ou conduzem à sua morte)Neutras devido:à redundância do código genético;o novo a.a. formado tem propriedades idênticas às do

a.a. substituído;a substituição ocorre numa zona da proteína que não

é determinante para a sua função.

Mutações CromossómicasTambém chamadas de aberrações cromossómicas,são alterações na estrutura ou no número decromossomas normal da espécie.Podem ocorrer tanto nos autossomas como noscromossomas sexuais.Desencadeiam um conjunto de sintomas, causadospela dosagem anormal de genes (síndroma).Podem provocar anomalias e mal formações noorganismo ou até a inviabilidade dele.

Mutações Cromossómicas EstruturaisProvocam alterações na estrutura dos cromossomas,podendo ocasionar a perda de genes, a leituraduplicada ou erros na leitura de um ou mais genes.São determinadas principalmente pela ruptura daestrutura linear dos cromossomas durante o crossing-over, seguida de uma reparação deficiente.Podem acontecer por deleção, duplicação, inversão outranslocação de partes de cromossomas.

Deficiência ou deleção quando ocorrea perda de um segmento do cromossoma,com consequente perda de genes.

A B C D E

A B C

Duplicação quando ocorre apresença de um segmento duplicadodo cromossoma, acarretando umadupla leitura de genes.

A B C D D E

A B C D E

Inversão quando ocorre a quebra deum segmento do cromossoma que se“solda” novamente à molécula mas deforma invertida, provocando erros naleitura dos genes.

A B C D E A B C E D

Translocação quando ocorre a troca de segmentosentre cromossomas não homólogos, provocando erros naleitura.

Simples: transferência de uma porção de um cromossoma, ou mesmode um cromossoma inteiro, para outro não homólogo;

Recíproca: troca de segmentos entre cromossomas não homólogos.São as mais comuns.

A B C D E

M N O P Q

A B C P Q

M N O D E

Translocação recíproca

Importante:Na translocação recíproca e na inversão não háalteração do número de genes. Todos os genesestão presentes, modificando-se apenas a suaposição relativa, o que trás dificuldadesacrescidas, desde logo, no emparelhamentodos cromossomas durante a meiose.

Mutações Cromossómicas Numéricas

Ocorrem devido a meioses anómalas (não-disjunção de cromossomas homólogos nadivisão I ou não disjunção de cromatídeos nadivisão II).

Provocam alterações no número típico decromossomas da espécie (cariótipo).

Podem produzir anomalias graves e até a mortedo organismo.

Tipos de Mutações Cromossómicas Numéricas

Actividade 15 pág. 105

Mutações Cromossómicas Numéricas• Nas alterações cromossómicas numéricas usa-se

o sufixo Somia para indicar a alteração numéricado respectivo cromossoma.

Nulissomia (2n-2) – perda de um par de cromossomashomólogos. No homem é letal.Monossomia (2n-1) – ausência de um doscromossomas homólogos num dado par.Polissemias – quando se verifica um aumento donúmero de cromossomas. Exemplo: Trissomia (2n+1)em que se verifica a presença de mais umcromossoma num dado par.

Síndroma de DownTrissomia do cromossoma 21 (Mongolismo – semelhanças faciaiscom os habitantes da Mongólia);Inicialmente estudada por Langdon Down, em 1866;Muito frequente na espécie humana (com diminuição daesperança de vida e da estatura; boca pequena por vezes semi-aberta, devido à dificuldade de acomodar a língua; deficiênciamental1; forma dos olhos característica; pescoço curto e grosso;genitália pouco desenvolvida maior susceptibilidade a infecçõesrespiratórias; por vezes presença de malformações cardíacas eproblemas cardiovasculares).

1 Resultante da cópia extra do gene Gart – aumento do nível de purinas no sangue.

225 genes

Síndroma de DownCariótipo 45A+XX=47 ou 45A+XY=47;

Causada pela não disjunção do cromossoma 21 de umdos progenitores (normal) e mais raramente, podeacontecer por translocação entre o cromossoma 21 e o14.

Mulheres com o síndroma: podem ter descendentesnormais ou também com a doença.

Homens com o síndroma: estéreis.

Síndroma de Down

Ocorrem pela não-disjunção dos cromossomassexuais tanto no homem como na mulher.

Duas mais conhecidas:

- Síndroma de Turner (X0);

- Síndroma de Klinefelter (XXY).

Alterações nos cromossomas sexuais

Síndroma de Turner

Monossomia do cromossoma X, cariótipo 44A +X0 = 45.

Sexo feminino com ovários atrofiados,deficiência hormonal, esterilidade, ausência demenstruação, mamas pequenas, vulva infantil,pescoço alado (com “pregas”), deficiênciacardíaca, raramente deficiência mental.

Cariótipo masculino 45,Y – anomalia letal

Síndroma de Turner

Síndroma de Klinefelter

Trissomia do cromossoma X, cariótipo 44A+ XXY = 47.

Sexo masculino com testículos e pénispequenos, reduzida pilosidade púbica,esterilidade, mamas desenvolvidas(ginecomastia), estatura elevada,deficiência mental.

Cariótipo feminino 47,XXX – anomalia insignificante

Síndrome de Klinefelter

SÍNDROMA DETURNER(ESTÉRIL)2n: 45,X0

2n: 46,XX

SÍNDROMA DE KLINEFELTER

(ESTÉRIL)2n: 47,XXY

2n: 46,XY

PoliploidiaMecanismo que pode levar à especiação rápida.

Indivíduo poliplóide: apresenta um número múltiploexacto do genoma característico da espécie.

Podem designar-se por triplóides (3n), tetraplóides(4n), pentaplóides (5n), etc., conforme tenham três,quatro, cinco ou mais genomas.

Como surgem os indivíduos poliplóides?

Actividade 16 pág. 108

Podem originar-se principalmente de duasmaneiras:

• por divisão mitótica incompleta, havendoduplicação do número de cromossomas dentroda própria espécie ou pela união de doisgâmetas não reduzidos (autopoliploidia)

• por hibridização interespecífica, seguida dedivisão mitótica incompleta (alopoliploidia)

Autopoliploidia

Alopoliploidia

De onde veio o trigo do pão?

Exercício 17 pág. 110

As mutações e o desenvolvimento biotecnológico

MutagéneseMutaçãoA maior parte das vezes, as células podem reparar osdanos causados pelas mutações:- capacidade descriminatória da DNA polimerase emrelação ao emparelhamento das bases durante areplicação – pode eliminar bases mal emparelhadas;- capacidade que outras enzimas têm para fazer aremoção de bases ou de nucleótidos estranhos.

Por vezes o equilíbrio entre a mutagénese e a reparação rompe-se!!!

As mutações, a tecnologia e a vida

Agentes Mutagénicos:

Físicos radiações ionizantes (raios X,radiações alfa, beta e gama) e radiaçãoultravioleta.

Químicos alguns corantes e conservantes,colchicina, alcatrão, benzeno, benzopireno,etc.

Os prós da biotecnologia… e os contra?

Exercício 18 pág. 112

Cancro | Tumor maligno | Neoplasia maligna: Doença que apresenta o crescimento de um tecido

neoformado. Origem genética (alterações ao nível do DNA), hereditários

(muito raros) ou esporádicos (cerca de 95%). Normalmente está associado a:

- alterações dos mecanismos que regulam a divisão celular(alterações devido a um aumento da estimulação dadivisão celular ou devido a deficiências nos mecanismosque impedem a divisão celular);- alterações dos mecanismos que regulam a apoptose.

Um organismo multicelular é, em cada momento, oresultado de um equilíbrio que se gera entre aproliferação celular e a morte programada (apoptose).Assim, em determinado momento, frequentementedurante o desenvolvimento embrionário, há célulasdestinadas a morrer, a fim de que outras possamprosseguir a sua tarefa de constituição de tecidos eórgãos. Mas… as células também podem morrer devidoà acção de substâncias tóxicas ou devido à falta denutrientes essenciais (necrose)

Apoptose: conjunto de fenómenos programados geneticamente que levam àmorte da célula.

Na apoptose, a célula encolhe, começam a formar-se bolhase a cromatina é compactada, formando massasconcentradas na parte interna do núcleo, que se parte,levando à formação dos corpos apoptóticos.

Células anómalas (caso das células malignas)

ou

Células desnecessárias ao organismo

Mecanismos determinados geneticamente: “Suicídio” celular

Diariamente surgem, no nosso organismo, células neoplásicas que sãonaturalmente eliminadas por apoptose.

Quando tal não acontece Cancro

Células geneticamente alteradas

Em alguns casos: invasão dos tecidos vizinhos através do sangue ou linfa (metastização)

Há dois tipos de genes que podem causar cancro quando sofremmutações, provocando ou permitindo o crescimento celulardescontrolado:- os proto-oncogenes ou genes promotores de crescimento, cujaactividade normal na célula está relacionada com o crescimentocelular. Um proto-oncogene mutado – oncogene – podeprovocar um crescimento celular descontrolado, causando aformação de um cancro.- os genes supressores de tumor (tumorais), regulam aproliferação celular, contrabalançando o estímulo proliferativodos proto-oncogenes. Quando mutados, deixam de prevenir amultiplicação descontrolada das células.As células do nosso corpo são, assim, reguladas de forma a quehaja um balanço entre os genes que induzem o crescimentocelular e os genes que bloqueiam tal crescimento.

Efeitos das Mutações (conclusão)As mutações são espontâneas e podem ser silenciosas, ou seja, nãoalterar a proteína ou sua acção. Podem ainda ser letais, quandoprovocam a morte, ou ainda acarretar doenças ou anomalias.

Mas…

As mutações também promovem a evolução já que determinamaumento na variabilidade genética. Há plantas utilizadas na nossasociedade para vários fins ou mesmo alguns animais que consumimosdiariamente que possuem um cariótipo alterado.

São situações em que podemos afirmar que as mutações trouxeramvantagens não só em termos de rentabilidade mas também emtermos de satisfação de marcado.

Fundamentos de engenharia genética1950-1975 – molécula de DNA “intocável”A partir da década de 70 (séc. XX) – revolução biotecnológica

Ciência Tecnologia Importantes conhecimentos sobre a vida;

Manipulação da vidaEngenharia genética:• permite conhecer melhor algumas das doenças humanas;• oferece produtos sedutores à indústria;• libertar a agricultura das suas dependências em relação aos adubos e aos

pesticidas.Para isso a EG precisa:• técnicas de elevada precisão;• análises e reflexões da bioética.

Manipulação do DNA• Extracção de genes;• Transplantação de genes de umas células para

outras;• Multiplicação de genes;• Criação de seres em tubo de ensaio

Revolução biotecnológica:• descoberta de enzimas de restrição (endonucleases

de restrição) – 1º “ferramenta” da engenhariagenética. Estas enzimas possuem a capacidade decortar o DNA em regiões específicas.

Como funcionam as enzimas de restrição?

Exercício 19 pág. 116

Enzimas de restrição

Clivagem do DNA

Fragmentos de DNA em dupla hélice com uma pequenaextensão em cada extremidade em cadeia simples -extremidadesextremidades coesivascoesivas - capazes de se associar por ligações dehidrogénio, com outra cadeia simples em que a sequência debases seja complementar desta. Ou seja, as duas extremidadescoesivas a ligar terão de ser compatíveis, o que se sucede seos dois fragmentos ligar resultarem de uma reacção derestrição com uma mesma enzima.

Em suma, as enzimas de restrição, viabilizam aformação de moléculas de DNA recombinante porpermitirem criar fragmentos, com a informaçãogenética de interesse, capazes de virem a serligados por recurso a enzimas que catalisam aformação da ligação covalente de doisfragmentos de DNA, as ligases.

VectoresApós o isolamento de uma informação genética, porexemplo, um fragmento de DNA obtido pela clivagemcom enzimas de restrição, este fragmento deverá serinserido numa outra molécula de DNA diferente, capazde amplificar aquela informação genética em centenasde cópias. Este processo de amplificação é obtido atravésdo uso de moléculas de DNA que são os chamadosvectores de clonagem molecular. Actualmente, os tiposbásicos de vectores usados na metodologia do DNArecombinante apresentam características especiais queos tornam excelentes veículos de clonagem emdiferentes situações.

Plasmídeos

Os plasmídeos circulares extracromossómicos de DNA, foram os primeiros vectores a serem utilizados na clonagem

de genes. Para uma dada experiência selecciona-se um plasmídeo com certas características especificas.

Funções

Transporta um ou mais genes que lhes conferempropriedades particulares, tais como a resistência acertos antibióticos.

Nota:Geralmente os seus genes não são essenciais para asobrevivência da bactéria, podendo ser retirados.

Possuem pelo menos uma sequência de DNA quepode actuar como origem de replicação, sendo, por isso,capazes de se multiplicar independentemente doscromossomas bacterianos. Os plasmídeos mais pequenosaproveitam as enzimas de replicação de DNA da célulahospedeira de modo a fazerem cópias de si próprios,enquanto que alguns dos maiores transportam genes quecodificam enzimas especiais e específicas para areplicação.

Alguns tipos: são também capazes de se replicarem inserindo-se no cromossoma bacteriano. Estes plasmídeos podem sermantidos de um modo estável nesta forma ao longo de numerosasdivisões celulares, mas irão em algumas alturas existir comoelementos independentes.

Em que consiste a técnica do DNA recombinante?

Exercício 20 pág. 119

Processo básico da técnica do rDNA

• Clivagem do DNA do plasmídeo num ponto específico através deuma enzima de restrição;

• Clivagem do DNA dador através da mesma enzima de restrição eposterior isolamento do gene que se quer inserir no plasmídeo;

• Contacto entre o gene a inserir e o plasmídeo e posterior fusãoatravés das ligases do DNA;

• Formação do DNA recombinante (o plasmídeo passa a ter além dosseus genes, o gene estranho que lhe foi inserido);

• Contacto entre o plasmídeo recombinante e as bactérias (célulashospedeiras);

• O gene inserido passa a comandar a síntese de determinadaproteína a partir do rDNA.

Processo básico da técnica do rDNA

Aplicações do rDNAEsta técnica, a partir da qual se podem obter um grande número decópias de um determinado gene e de o colocar a executar uma tarefadesejada tem inúmeras aplicações.

Hoje, já não são utilizadas como células hospedeiras apenas célulasprocarióticas. Já se utilizam leveduras e até plantas e animais… São hojecomuns as plantas e os animais em cujo genoma foram introduzidosgenes que determinam características vantajosas.

Organismos Geneticamente Modificados

DNA complementar• DNA original: exões (regiões codificantes) + intrões (regiões não

codificantes);

• Técnica utilizada quando se pretende clonar genes sem os seusintrões;

• cDNA produzido a partir de uma molécula de RNAm maduro(desprovido de intrões – depois de processado);

• Utiliza uma enzima capaz de sintetizar DNA a partir de RNAmextraído – transcriptase reversa.

Exemplo: produção de insulinaVer fig. 53 pág. 121

Reacções de polimerização em cadeia

A técnica de PCR é relativamente recente na história dabiologia molecular, tendo sido desenvolvida nos anos 80 porKary Mullis. Esta técnica é tão importante que em 1994Mullis ganhou o prémio Nobel.A ideia básica da técnica de PCR é bastante simples. Trata-se de uma metodologia in vitro que possibilita a reproduçãode milhares de cópias de um determinado fragmento deDNA. Através desta técnica, uma sequência particular deinteresse pode ser amplificada, tornando-se maioritária naamostra de DNA. Deste modo, dois pequenos fragmentosde DNA, normalmente de 20 pares de bases (primers), sãosintetizados in vitro. Estes primers são complementares àsextremidades da região de DNA que se pretende amplificar.

Reacções de polimerização em cadeia

O método PCR pode ter início com umaquantidade muito pequena de DNA original.Durante o processo PCR, o fragmento deDNA em questão é misturado comnucleótidos e DNA polimerase (enzima quetem a capacidade de unir os nucleótidoslivres com os seus complementares nacadeia molde de DNA).

Reacções de polimerização em cadeiaDe seguida:

DesnaturaçãoDesnaturação da dupla cadeia de DNA – com elevadastemperaturas separam-se as duas cadeias;

HibridizaçãoHibridização (annealing - emparelhamento) de pequenassequências sintéticas de nucleótidos e síntese de cadeiascomplementares, por acção de uma DNA polimerase(extensão);

RepetiçãoRepetição dodo processoprocesso: por ciclos sucessivos deaquecimento e arrefecimento obtêm-se milhões ou biliõesde cópias do fragmento de DNA original.

Nota: como as enzimas sofrem desnaturação quando sujeitas a altastemperaturas recorre-se frequentemente a DNA polimerases extraídasde bactérias que vivem em meios muito quentes.

Reacções de polimerização em cadeia

Reacções de polimerização em cadeia

• Processo desenvolvido em 1983.

• Serve para amplificar uma determinada porção de DNA.

• Neste processo utiliza-se uma porção de DNA, nucleótidos livres (primers) eDNA polimerase.

• Por acção do calor separa-se a dupla cadeia em duas cadeias simples.

• De seguida e com temperaturas mais baixas, a DNA polimerase entra em acção e adiciona osnucleótidos que vão formar duas cadeias complementares das iniciais, que se encontramseparadas.

• Assim, de uma dupla cadeia obtêm-se duas duplas cadeias que, com arepetição do processo, vão originar 4, depois 8, 16, 32... É a esta contínuaprodução de duplas cadeias de DNA, exactamente iguais à dupla cadeiaoriginal, que se chama ampliação do DNA. Em poucos minutos consegue-seum ciclo completo, sendo possível, em algumas horas, a obtenção de milhõesde cópias do fragmento inicial.

Uma das dificuldades encontradas neste processoé o facto de se usarem altas temperaturas o quepode destruir a enzima DNA polimerase.

Para combater este problema, recorre-se a DNApolimerase extraída de bactérias que vivem emmeios muito quentes.

A engenharia genética a revolucionar a Sociedade…

A engenharia genética retira, analisa e reorganiza opatrimónio genético dos seres vivos.

Utiliza microrganismos com o património genético alteradono sentido de funcionarem como “fábricas” na produção desubstâncias de interesse para o ser humano;Substitui genes que provocam doenças hereditárias numindivíduo adulto (terapia génica somática) – esta técnica foiutilizada em 1999 em crianças com menos de 1 ano;Substitui genes em embriões – técnica reprovada peloscomités de bioética (considera-se preferível a selecção deembriões isentos de determinados genes na reproduçãoassistida);Fabrica transgénicos com características desejadas queinvadem os mercados.