CINCIAS Turma 9 ano Professor Guilherme Vieira Captulo

CIÊNCIAS Turma: 9º ano Professor: Guilherme Vieira

Capítulo 3: Conhecendo o DNA e os avanços da Biotecnologia

Genética ontem e hoje Na segunda metade do século XIX, o monge austríaco Gregor Johann Mendel (1822 -1884) descobriu que a transmissão das características hereditárias seguem regras bem definidas e propôs explicação para essas regras. Os resultados seus experimentos foram publicados em 1865, mas não despertaram o interesse dos cientistas da época.

Mendel escolheu como material de estudo a ervilha-decheiro (Pisum sativum). As ervilhas são plantas da família das leguminosas, apresentam fruto em forma de vagem, possuem flores hermafroditas, isto é, órgãos reprodutores masculinos e femininos e se reproduzem com certa rapidez, permitindo obter várias gerações em pouco tempo.

Autofecundação e Fecundação Cruzada A flor da ervilha tem estruturas masculinas e femininas guardadas numa espécie de urna (chamada “quilha”) que impede a polinização por pólen de outras flores, favorecendo, assim, a autofecundação. Para realizar a fecundação cruzada entre duas plantas de ervilhas, é preciso abrir a quilha e cortar as anteras para ser, então, colocado sobre o estigma o pólen proveniente de outra planta.

Conceitos estruturantes da Genética Mendel certificava-se de estar lidando com ervilhas de linhagens puras, uma vez que se reproduziam por autofecundação. Como essas plantas não sofriam alteração de uma geração para outra, as características se mantinham nas gerações seguintes. Esquema simplificado do cruzamento entre variedades puras para o caráter cor da semente. P X Descendentes puros

Figura 4: esquema simplificado de um dos experimentos realizados por Mendel com as ervilhas de sementes verdes e amarelas. Conceitos estruturantes da Genética A geração formada pelas variedades puras, por exemplo, sementes verdes e sementes amarelas, era denominada de geração parental ou geração P. A descendência imediata desses cruzamentos era chamada de primeira geração híbrida ou geração F 1. A descendência resultante da autofecundação da geração híbrida era denominada segunda geração híbrida; hoje se chama geração F 2. O traço que desaparecia nas plantas híbridas foi chamado de recessivo, e o que se manifestava foi chamado de dominante. P X F 1 P Fecundação cruzada de indivíduos puros 100% híbridos X Autofecundação de indivíduos híbridos F 2 Resultado: sementes amarelas e reaparecimento da característica verde na segunda geração, sendo um puro amarelo, um puro verde e dois híbridos (amarelos).

O Segredo da Hereditariedade Representação de um DNA Muitos avanços aconteceram no campo da Citologia. Os cromossomos e outras estruturas foram observadas ao microscópio. Os processos de divisão celular, mitose e meiose, foram descritos pelo cientista norte -americano Walter Sutton (18771916) e pelo alemão Theodor Boveri (1862 -1915).

Bases celulares dos fatores hereditários Hoje sabemos que os fatores a que Mendel se referiu são os genes e que estão localizados nos cromossomos. O par de fatores imaginado por Mendel corresponde ao par de genes alelos localizados nos cromossomos homólogos. É a separação dos cromossomos homólogos, na divisão da meiose I, o fenômeno responsável pela segregação dos fatores hereditários. .

A divisão celular e os fatores hereditários Para compreendermos como as leis de Mendel funcionam, vejamos os fundamentos da hereditariedade: Ø os filhos herdam dos pais os genes, a partir dos quais desenvolvem suas características; Ø os genes são transmitidos pelos gametas (células haploides n); Ø cada gameta contém um conjunto de genes (genoma) específico da espécie; Ø os genes ocorrem aos pares em cada indivíduo (genes alelos), sendo um de origem materna e outro de origem paterna.

Veja a divisão celular: ØAnimação de mitose disponível em: http: //www. youtube. com/watch? v=Ixd 8 Lgs. E 5 n. Y&feature=related Ø Animação em 3 D de meiose disponível em: http: //www. youtube. com/watch? v=47 vf 2 m-Iyb 8

Entendendo conceitos Como surgem os alelos? Os alelos surgem devido a pequenas alterações no lócus de um gene. Assim, se o alelo A tem a informação para determinar a síntese de um polipeptídeo A, o alelo a não tem a mesma informação; ele determina a síntese do polipeptídeo a. Essas alterações nos lócus gênicos são as mutações gênicas. Quando os alelos de um par são iguais, fala-se em condição homozigótica (Mendel usava o termo “puro”). Quando os alelos de um par são diferentes, fala-se em condição heterozigótica (Mendel usava o termo “híbrido”). LOPES, S. ; ROSSO, S. Bio: v. 3, 1ªed. São Paulo: Saraiva, 2010 A A Homozigoto A/A A a Heterozigoto A/a a a Homozigoto A/A

Ø Quando dizemos que uma planta de ervilha é heterozigótica ou homozigótica para a cor da semente, por exemplo, estamos nos referindo aos genes, isto é, ao genótipo, que, em problemas genéticos, é representado por letras. Ø Empregamos o termo fenótipo quando nos referimos às características morfológicas, fisiológicas ou até mesmo comportamentais, por exemplo, a cor da flor, a textura da semente, a cor do pelo de um animal e a cor da pele. O termo engloba também características de natureza bioquímica, como o tipo de sangue.

Os ácidos nucleicos são assim chamados por seu caráter ácido, e por terem sido originalmente descobertos no núcleo das células. A partir da década de 1940, os ácidos nucleicos passaram a ser intensivamente estudados, pois se descobriu que eles formam os genes responsáveis pela herança biológica.

Os ácidos nucleicos são constituídos por três tipos de componentes: • pentoses; • fosfato; • bases nitrogenadas. Esses componentes organizam-se em trios moleculares denominados nucleotídios, que se encadeiam às centenas ou aos milhares para formar uma molécula de ácido nucleico.

base nitrogenada fosfato pentose Imagem: NEUROticker / public domain Representação de nucleotídio

Há dois tipos de ácidos nucleicos: • ácido desoxirribonucleico conhecido como DNA; • ácido ribonucleico conhecido como RNA. Essas substâncias apresentam, respectivamente, desoxirribose e ribose (pentoses) em suas moléculas. Dos cinco tipos de base nitrogenadas presentes nos ácidos nucleicos, três ocorrem tanto no DNA quanto no RNA. adenina (A), citosina (C), guanina (G)

A base nitrogenada timina (T) ocorre exclusivamente no DNA, enquanto a base uracila(U) ocorre exclusivamente no RNA. Disso decorre que uma molécula de DNA, por maior que seja, terá apenas 4 tipos de nucleotídeos, todos possuindo desoxirribose, no entanto, diferindo quanto ao tipo de base. Já numa molécula de RNA, os 4 tipos de nucleotídeos terão a ribose, e uma das 4 bases nitrogenadas.

Representação de bases nitrogenadas, açucares e ácido fosfórico. BASES PIRIMÍDICAS Citosina ÁCIDO FOSFÓRICO AÇÚCARES Desoxirribose Uracila Timina Ribose BASES PÚRICAS Adenina NUCLEOTÍDEO (DNA) Guanina

As bases nitrogenadas são classificadas em pirimídicas e púricas. A bases pirimídicas são formadas por uma cadeia fechada com quatro átomos de carbono e dois de nitrogênio. São elas: citosina (C), timina (T), uracila (U). As bases púricas, por sua vez, apresentam estrutura química constituída por duas cadeias fechadas, e também chamadas anéis. São elas: adenina (A) ou guanina (G).

Estrutura dos ácidos nucleicos Moléculas de DNA são constituídas por duas cadeias de nucleotídeos enroladas uma sobre a outra, lembrando um escada helicoidal. As duas cadeias mantêm-se unidas entre si por meio de um tipo especial de ligação, a ligação de hidrogênio (ou ponte de hidrogênio) entre pares de bases específicos.

A adenina emparelha-se e forma ponte de hidrogênio com timina; a guanina emparelhase e forma ponte de hidrogênio com citosina. Moléculas de RNA são geralmente formadas por cadeia única, que se enrola sobre si mesma. Alguns vírus, no entanto, como o do mosico-do-tabaco, possuem RNA de dupla-cadeia.

Cadeia de açúcares e fosfatos Nucleotídeo Bases nitrogenadas Pontes de hidrogênio

A molécula de DNA possui uma configuração estrutural bastante distinta. O modelo inicial que explica a estrutura do DNA foi proposto por James D. Watson e Francis H. C. Crick em 1953. Segundo eles, a molécula de DNA é uma fita dupla constituída por duas cadeias paralelas que correm em direções opostas. Os emparelhamentos são estabelecidos graças à afinidade química entre as bases adenina e timina (A-T) e guanina e citosina (G-C).

Notamos que a ligação se faz sempre entre uma base púrica e uma base pirimídica e que há afinidade química somente entre adenina, e timina, e guanina e citosina. Na verdade, essa afinidade pode ser constatada observando-se as ligações que se estabelecem entre as bases e que se chamam ponte de hidrogênio. Estas são ligações fracas que ocorrem entre átomos de hidrogênio e alguns outros maiores que ele, entre os quais estão o oxigênio, o nitrogênio e o flúor.

Detalhe de uma molécula de DNA, evidenciando o pareamento de bases nitrogenadas Imagem: Giac 83 / public domain Imagem: Mirmillon / public domain O modelo adotado até hoje abriu um novo e importante campo de estudo: o da genética molecular. Isso rendeu a Watson, a Crick e a Wilkins o prêmio Nobel de Medicina e Fisiologia de 1962. Molécula de DNA dupla-hélice.

Imagem: Joz 1340 / Public Domain. Imagem: Estrutura química do RNA / Narayanese / GNU Free Documentation License O RNA tem origem a partir da molécula de DNA. O RNA, ou ácido ribonucleico, é uma molécula em cadeia simples, apresentando uma estrutura primária semelhante à do DNA. Como principais diferenças em relação ao DNA, o RNA:

• possui a ribose em vez da desoxirribose, o que lhe confere uma desvantagem estrutural, pois torna-se menos resistente à hidrólise; • é composto por duas bases da família das purinas (guanina e adenina) e duas pirimidinas (citosina e uracila, em detrimento da timina, presente no DNA);

• apresenta-se, normalmente, sob a forma de cadeia simples;

Os RNA, existem na célula como produto direto de genes e pertencem a 3 classes distintas: • o RNA mensageiro (m. RNA), responsável pela transferência da informação contida no DNA até o local onde as proteínas serão sintetizadas.

• o RNA ribossômico (r. RNA), componente principal do ribossomo; • e o RNA transportador (t. RNA), responsável pelo transporte de aminoácidos para o local da síntese proteica

citosina ATCG’s AUCG’s guanina esqueleto fosfoglicídico adenina timina DNA par de bases ácido desoxirribonucleico bases azotadas adenina RNA uracilo ácido ribonucleico Substitui timina no RNA bases azotadas

Imagem: Madprime / Creative Commons Attribution -Share Alike 3. 0 Unported Esquema de duplicação de DNA Timina Adenina Guanina Citosina

Imaginando um segmento hipotético de um filamento de DNA com a sequência de bases: DNA- ATGCCGAAATTTGCG O segmento de RNAm formado na transcrição terá a sequência de bases: RNA- UACGGCUUUAAACGC

DIFERENÇAS DNA E RNA DNA RNA Açúcar desoxirribose Filamento duplo simples Função Inf. genética Sint. proteínas Bases Nitrogenadas Piridiminas: Citosina e Timina Purinas: Adenina e Guanina Piridiminas: Citosina e Uracila Purinas: Adenina e Guanina

Grupo fosfato Ribose Imagem: Batterytime/ domínio público Adenina

Biotecnologia É um conjunto de técnicas que envolvem a manipulação de organismos vivos para modificação de produtos com fins específicos. A palavra tem origem grega: “bio” significa vida, “tecnos” remete a técnica e “logos” quer dizer “conhecimento”. A biotecnologia é usada desde a Antiguidade, em um processo bastante artesanal para produção de pães e bebidas fermentadas. Hoje, ela utiliza materiais e técnicas de última geração. O desenvolvimento dessa área ocorreu com o avanço nas pesquisas sobre genomas, microbiologia, biologia molecular, bioquímica, bioinformática e engenharia genética.

Genoma É a sequência completa de DNA (ácido desoxirribonucleico) de um organismo, ou seja, o conjunto de todos os genes de um ser vivo. Estudar o genoma é como estudar a anatomia molecular de uma espécie.

O Projeto Genoma Humano iniciou-se em 1990 e tinha como objetivo determinar a sequência de todas as bases do DNA genômico e identificar e mapear os genes distribuídos em nossos 23 pares de cromossomos. Os pesquisadores armazenariam essas informações em bancos de dados e desenvolveriam ferramentas que propiciassem a análise detalhada de cada uma.

Entre os resultados obtidos no processo, podemos destacar a descoberta dos 3, 2 bilhões de nucleotídeos que compõem o genoma humano e a identificação da função de cerca de 50% deles. Também é importante destacar que foi possível concluir que a sequência do genoma humano é 99, 9% igual em todos os indivíduos.

Recursos extras Apresentação de animações do youtube; Música dos ácidos nucleicos. http: //www. youtube. com/watch? feature=player_detailpage&v= ljm. S_t 3 G 1 m. Y Construção de modelo 3 D em goma da molécula de DNA (DNA comestível).

Dúvidas !!!!

Atividades. . .