Introdução à Biologia/Genética

Capítulo III – Genética

Compreender a Genética

A Genética tem-se tornado uma componente indispensável em praticamente toda a investigação cientifica, assumindo uma posição pivot na biologia por inteiro e na Medicina. De modo muito simplista, a genética surge como transferência de informação entre vários níveis diferentes e tem ganho terreno de forma veloz e como nenhuma outra disciplina científica, além da sua compreensão ser essencial, a genética toca a humanidade em aspectos muito diversos. De facto, as questões na genética tendem a emergir diariamente nas nossas vidas e nenhuma pessoa fica indiferente às suas descobertas. A introspecção acerca da genética tem afectado radicalmente a forma como o Homem vê o mundo, nomeadamente a forma como nós vemos a nós próprios em relação a outros organismos.

O Ciclo Celular

Para que um organismo vivo possa crescer, as suas células precisam aumentar no seu tamanho, fazendo réplicas exactas de todo o seu material genético, passando em seguida por um processo de divisão. Tal resulta em duas células filhas, cada uma com uma cópia completa do genoma(DNA). À semelhança do que ocorre com um organismo no seu todo, também as células passam por uma espécie de ciclo de vida, em que o conjunto de processos de crescimento e divisão da célula se designa por ciclo celular, que ocorre numa célula viva entre duas divisões celulares, ou seja, começa no momento em que a divisão celular que a originou acaba e o momento em que ela mesma se divide ou morre (toda a actividade celular cessa).

O Ciclo Celular das Células Eucarióticas

Interfase e Mitose (neste diagrama a duração da mitose está exagerada em relação à interfase).

Contrariamente ao que ocorre com as bactérias em que o crescimento da célula e a replicação do DNA tomam lugar ao longo da maior parte do ciclo celular e os cromossomas duplicados são distribuídos às células filhas em associação com a membrana plasmática, nas ccélulas eucarióticas o ciclo celular é muito mais complexo, e consiste em distintas fases coordenadas: o crescimento da célula, a replicação do DNA, a distribuição dos cromossomas duplicados para as células filhas, e a divisão da célula. Um típico ciclo de uma célula eucariótica é ilustrado através de células humanas em cultura, que se dividem aproxiamadamente a cada 24horas. Em observação ao microscópio, o ciclo celular é dividido em duas partes básicas: Interfase (95%) e Fase Mitótica (5%) que inclui a Mitose (cariocinese) e a Divisão Celular (citocinese).

O processo de síntese do DNA, divide assim o ciclo das células eucarióticas em 4 fases distintas como mostra a figura Ciclo Celular:

Interfase A interfase corresponde ao período entre o final de uma divisão celular e o início da segunda, e a velocidade a que pode decorrer depende do tipo de célula. Embora durante este estádio da [[:w:pt:célula|célula] o DNA não seja visível ao microscópio óptico, corresponde a um período muito activo, uma vez que é nesta fase que se sintetizam proteínas e outros materiais necessários ao crescimento da célula.

Interfase

A Interfase é um período de intensa actividade e crescimento e divide-se nas seguintes fases:

Ciclo Celular nas Células Eucarióticas – representação da Interfase (cor verde) e Fase Mitótica (cor azul).

• Fase G1
  • Nesta fase sintetizam-se muitas proteínas necessárias á formação de DNA, enzimas e RNA, e verifica-se também a formação de organitos celulares e, consequentemente, a célula cresce. Além do crescimento, a célula responde a estímulos, positivos ou negativos, e verifica o estado dos seus sistemas internos e se estiver tudo a funcionar normalmente a célula avança ao longo do ciclo.

• Fase G0
  • Nesta fase a célula, que saiu da fase G1 e não prolifera, diz-se em estado quiescent do ciclo, encontrando-se em aparente estado de repouso. Aqui, as células mantêm-se metabolicamente activas mas não desenvolvem mais a não ser quando chamadas para o fazer por sinais extra celulares específicos, e assim de acordo com a necessidade retornam a G1 e continuam o ciclo. Dai, G0 ser considerada com uma interfase prolongada.

• Fase S
  • É nesta fase, também designada por fase de síntese, ocorre a auto-replicação das moléculas de DNA (diz-se no plural porque para cada cromossoma existe uma molécula de DNA), por outras palavras as células são capazes de sintetizar uma réplica exacta do genoma, decorrendo a fase de síntese (duplicação do DNA) com preservação da informação genética.
  • A partir deste momento os cromossomas passam a possuir dois cromatídeos ligados por um centrómero.

• Fase G2
  • Nesta fase a célula ainda aumenta de tamanho, e ocorre a síntese de RNA, e simultaneamente um aumento da síntese proteica, nomeadamente de estruturas/moléculas necessárias à divisão celular (como a duplicação dos centríolos), como preparação para a mitose.

Por sua vez, tal como foi referido anteriormente, a Fase Mitótica divide-se em duas fases:

• A Mitose (ou cariocinese)
• A Divisão Celular (citocinese).

Regulação do Ciclo celular

O ciclo celular pode parar em determinados pontos e só avança se determinadas condições se verificarem, tais como a presença de uma quantidade adequada de nutrientes ou quando a célula atinge determinadas dimensões. A regulação do ciclo celular é realizada por ciclinas e por quinases ciclino-dependentes. Certas células, como os neurónios, param de se dividir quando o animal atinge o estado adulto, mantendo-se durante o resto da vida do indivíduo na fase G0. Existem dois momentos em que os mecanismos de regulação actuam:

• Na fase G1
  • No fim desta fase existem células que não iniciam novo ciclo ou que não estão em condições de o fazer, essas células permanecem num estádio denominado G0.
  • As razões para a células passar para o estádio G0 podem ser:
    • São células que não se dividem mais, essas células permaneceram neste estádio até à sua morte, são exemplos os neurónios e as células das fibras musculares.
    • Não haver nutrientes suficientes;
    • A célula não ter atingido o tamanho necessário.
• Na fase G2
  • Antes de se iniciar a mitose existe outro momento de controlo, se a replicação do DNA não ocorreu correctamente o ciclo pode ser interrompido e a célula volta a iniciar a fase S.

Mitose

Prófase, Prometafase, Metáfase, Anáfase e Telofase.

É um processo de divisão celular, observável ao M.O. durante o qual ocorre essencialmente a duplicação dos cromossomas e sua distribuição às células-filhas, ou seja, a célula-mãe dá origem a duas células-filhas, recebendo cada uma delas um jogo cromossómico igual ao da célula-mãe, mantendo-se inalterável o número de cromossomas específicos (2n –> 2n cromossomas) O processo de divisão mitótica compreende morfologicamente duas etapas cinéticas. A primeira caracteriza-se pela formação dos núcleos-filhos e tem o nome de nucleocinese. A segunda, quase simultânea com a primeira, origina a separação do citoplasma para formar duas células-filhas, designa-se citocinese. A duração e viabilidade da mitose varia com o tipo de célula, de organismo e de tecido e é dependente de variações, quando sujeitas ou submetidas a diferentes factores (ex.: temperatura) Apesar da mitose ser um processo contínuo, geralmente considera-se por uma questão de facilidade, que esta decorre morfológica e cineticamente numa sequência de etapas, subdivididas em cinco fases, designadas por: Prófase, Prometafase, Metáfase, Anáfase e Telofase.

• Prófase
  • É a etapa mais longa da mitose;
  • É visível um aumento do volume nuclear;
  • Ocorre a condensação gradual dos longos e finos filamentos de cromatina até à individualização dos cromossomas, já mais encurtados e espessos com forma de bastonete, possibilitando assim o seu visionamento no M.O;
  • A membrana nuclear vai desaparecendo gradualmente.
  • Os dois pares de centríolos, localizados na região perinuclear, formando cada um, um centrossoma, começam a deslocar-se em sentidos opostos no pt:citoplasma perinuclear, ficando um par de centríolos em cada pólo da célula.
  • Quando os centríolos alcançam os pólos da célula o Invólucro nuclear quebra e os nucléolos iniciam a sua dissipação e gradualmente vão desaparecendo no nucleoplasma.
  • A carioteca fragmenta-se;
  • Inicia-se o aparecimento do fuso acromático (sistema de microtúbulos proteícos que se agrupam e formam fibrilas, unindo os dois pares de centríolos);
  • os cromossomos prendem-se às fibras do fuso;

• Prometafase
  • Fase intermédia em que ocorre o início da desorganização (ruptura) do invólucro nuclear .
  • Os cromossomas prometafásicos continuam o seu encurtamento e espessamento.
  • Com o desaparecimento completo do invólucro nuclear e do nucléolo, cada cromossoma inicia o seu processo de orientação e deslocamento para o plano equatorial do fuso.
  • Os cromatídeos ligados às fibrilas do fuso através dos centrómeros.

• Metáfase
  • Os cromossomas atingem a máxima condensação;
  • O fuso acromático completa o desenvolvimento e as fibras do fuso mitótico ligam-se aos cinetocoros (centrómero) dos cromossomas (as outras fribrilas ligam os dois centríolos);
  • Os cromossomas encontram-se alinhados no plano equatorial do fuso acromático (plano equidistante dos dois pólos da células), por meio dos seus centrómeros, constituindo a Placa equatorial.
  • Os cromatídeos tornam-se mais distintos por ligeiro afastamento dos seus braços, ficando apenas aderentes na região do centrómero.

• Anáfase
  • As fibrilas encurtam-se e começam a afastar-se;
  • Clivagem dos centrómeros, com consequente separação dos cromossomas metafásicos;
  • Afastamento dos cromatídeos (cromossomas-filhos) para os pólos - ascensão polar - deslocando-se para os centríolos, seguindo a direcção dos túbulos do fuso;
  • Aumento da distância entre os pólos da célula;
  • Consequente alongamento da célula. Ao separarem-se do seu cromossoma, cada um dos dois cromatídeos dum mesmo cromossoma torna-se num cromossoma monocromatídeo constituído apenas por uma molécula de DNA/proteínas.

• Telofase
  • Aparecimento do invólucro nuclear rodeando os cromossomas de cada pólo da célula, passando a existir dois núcleos com informação genética igual.
  • Os cromossomas despiralizam-se gradualmente, tornando-se menos condensados.
  • Reaparecem os nucléolos e a cromatina.
  • Desaparecem os microtúbulos do fuso mitótico.
  • Conclui-se a citocinese, consequente separação das células-filhas.

• Citocinese

Este período, corresponde à separação física do citoplasma durante a divisão celular, nomeadamente entre o fim da anafase e na telofase, que resulta na individualização das duas células-filhas; Este processo difere conforme a célula for animal ou vegetal. Na célula animala citocinese consiste no estrangulamento do citoplasma. No fim da mitose formam-se, na zona do plano equatorial, um anel contráctil de filamentos proteicos que, na citocinese, contraem-se e puxam a membrana plasmática para dentro até que as duas células-filhas se separam. Na célula vegetal a parede celular não permite o estrangulamento do citoplasma; em vez disso é formada na região equatorial uma nova parede celular. Para isso vesículas provenientes do complexo de Golgi alinham-se no plano equatorial e formam uma estrutura que é a membrana plasmática das células-filhas. Mais tarde, por deposição de fibrilas de celulose forma-se nessa região a parede celular.

Reprodução Sexual

Reprodução Sexual – Fase Haplóide e Fase Diplóide

Na reprodução sexual, dois indivíduos produzem descendência que possui características genéticas de ambos os progenitores, introduzindo novas combinações de gene na população. Nos animais, a reprodução sexual compreende a fusão de dois gametas distintos para dar origem ao zigoto. Os gametas são produzidos por um tipo de divisão “especial” designada Meiose, tanto nos animais como nalgumas plantas. Nas plantas superiores e em certas plantas inferiores a meiose é intermediária ou espórica, isto é, realiza-se entre a fertilização e a formação dos gametas. Já no caso dos animais e algumas plantas inferiores, a meiose é do tipo gamética ou terminal, isto é, as duas divisões meióticas acontecem imediatamente antes da formação dos gametas. Os gametas são haplóides (contendo unicamente um “jogo” de cromossomas) enquanto o zigoto é diplóide (contendo dois “jogo” de cromossomas).

Espermatogénese.

• Na meiose masculina, os quatro núcleos são incluídos em células individuais (espermatídes), que depois, por um mecanismo de espermatogénese, se diferenciam em espermatozóides (estes possuem capacidade de locomoção, e usualmente tem um flagelo).

Oogénese

• Na meiose feminina, só um dos núcleos resultantes da meiose se torna funcional como núcleo do óvulo, e os restantes são diferenciados por divisões desiguais do citoplasma em pequenas células não funcionais, designadas como corpúsculos polares.

Cromossomas XY.

Deste modo, diz-se que a fecundação e a meiose juntas, ocorrendo de forma alternada, constituem um ciclo de reprodução sexual em que existem dois “Jogos” de cromossomas presentes nas células somáticas em indivíduos adultos, que são referenciados como sendo diplóide (2n)(em grego di=two), mas apenas um ”jogo” de cromossomas presente nos gametas, que são referidos como sendo haplóide (n)(em grego haploos=um). A sua fenomenal característica é que a descendência herda os cromossomas dos dois progenitores, ou seja, no nosso caso (humanos), herdamos 23 cromossomas da mãe, contribuído pelo ovo fertilizado aquando da nossa concepção e 23 cromossomas do pai, contribuídos pelo esperma que fertilizou o óvulo. O ciclo de vida de todos os organismos que se reproduzem sexualmente segue o mesmo padrão básico de alternância entre o número de cromossomas haplóide e diplóide. Depois da fecundação, o zigoto resultante começa a dividir-se por mitose. Esta única célula eventualmente dá origem a todas as células no adulto, excepto no caso de raros acidentes ao longo do processo.

Assim, é possível afirmar, que a reprodução sexual tem de facto muitas vantagens, e provavelmente levará à sobrevivência a longo prazo das espécies em questão, permitindo a sua evolução.

Meiose

Meiose I e Meiose II.

A Meiose (do grego meioun que significa diminuir), em termos gerais, trata-se de um processo que compreende duas divisões celulares consecutivas e complementares/divisões nucleares sucessivas, que ocorre no ciclo dos seres vivos que se reproduzem sexualmente, das quais a 1ª divisão (MEIOSE I) é reducional ou heterotípica por reduzir a metade o número de cromossomas de cada célula (2n →n) e a 2ª divisão (MEIOSE II) é homotípica ou equacional por separar cromatídios e não cromossomas inteiros (n→n). Este processo não é mais do que um processo de diferenciação e maturação dos gâmetas, com divisão nuclear de tipo especial, que resulta na redução a metade do número de cromossomas de cada indivíduo.

Crossing-over.

Além da redução de cromossomas ao valor haplóide, a meiose inclui também processos adicionais como a recombinação ou crossing-over bem como a síntese de RNAs e proteínas que têm grande significado para o desenvolvimento e sobrevivência dos organismos que se reproduzem sexualmente. A reprodução sexual é característica apenas dos organismos eucariótas. Durante a formação dos gâmetas, o número de cromossomas é reduzido a metade mas retoma o seu valor inicial quando dois gâmetas se fundem durante a fecundação.

Meiose I

MEIOSE I (1ª Divisão Meiótica ou Divisão Reducional ou Heterotipica) Abrange quatro fases distintas: Prófase I, Metafase I, Anáfase I e Telófase I.

• Prófase I: apesar de continua, é normalmente dividida em cinco estados consecutivos de acordo com as principais actividades dos cromossomas: condensação da cromatina em cromossomas muito finos de número diplóide (estado Lptóteno), emparelhamento de cromossomas homólogos (morfologia e estrutura semelhante) (estado Zigóteno), recombinação (estado Paquíteno) (em que ocorre o fenómeno de sobrecruzamento ou crossing-over entre os cromossomas homólogos completamente emparelhados, que consiste de trocas físicas entre homólogos através de um processo de fractura e reunião dos segmentos do cromossoma, mais precisamente entre cromatidíos internos não irmãos de cada bivalente/cada tétrada - ocorre nos pontos designados por quiasma*) (estado Diplóteno), síntese e recondensação (estado Dictióteno ou Diacinese – período de grande actividade metabólica, em que os homólogos distribuem-se pelo centro da célula e se inicia a diferenciação do fuso acromático, ocorrendo a desintegração do invólucro nuclear e dos nucléolos, bem como um alto grau de condensação dos cromossomas).
  • o número e posição dos quiasmas é variável e representam a prova morfológica da ocorrência do fenómeno de crossing-over. Os cromossomas homólogostornam-se tão largamente separados uns dos outros que parece que se repelem entre si, excepto onde há quiasmas.
• Metáfase I: Nesta fase as tétradas cromossómicas ligam-se aos microtúbulos do fuso acromático, que entretanto se diferenciou pelos cinetocoros e dispõem-se na placa equatorial. Os cromossomas homólogos de cada par preparam-se para se separar.
• Anáfase I: ocorre a Nesta fase dá-se a ascensão aleatória para pólos opostos do fuso acromático de metade dos bivalentes (redução cromática). Recebendo casa um dos pólos do fuso um número haplóide de cromossomas, quando a anáfase I se completa.

Os diferentes pares de cromossomas separam-se independentemente uns dos outros, de maneira que qualquer combinação de cromossomas de origem materna ou paterna pode encontrar-se num pólo do fuso. Na espécie humana com 23 pares de cromossomas são possíveis 2vários tipos de combinações de cromossomas maternos e paternos. Dado que cada cromossoma é constituído por dois cromatídios, a quantidade de DNA presente em cada pólo do fuso tem o valor diplóide (2n).

• Telófase I: Terminada a migração dos bivalentes (dois cromatidios) para os pólos do fuso acromático, reconstituem-se dois núcleos-filhos. Muitas vezes esta fase não é muito evidente com a despiralização dos cromossomas, passando-se de imediato para a segunda meiose.

Meisose II

MEIOSE II (2ª Divisão Meiótica ou Divisão Equacional ou Homotípica) Abrange quatro fases distintas: Prófase II, Metafase II, Anáfase II e Telófase II.

• Prófase II: ocorre após uma breve ou até inexistente interfase (onde não ocorre nenhuma replicação do DNA à semelhança do que acontecia na mitose), e é um período muito rápido caracterizado pela desintegração do invólucro nuclear, pela condensação dos cromossomas e pelo início da diferenciação do fuso da metafase II.
• Metafase II: Esta fase é similar à METAFASE I, em que os cromossomas, constituídos cada um por dois cromatídeos que estão bem afastados um do outro, dispõem-se com os cinetocoros no plano equatorial do respectivo fuso acromático .
• Anáfase II: O centrómero de cada cromossoma (constituído por dois cromatídios) que tinha ficado indiviso na 1ª divisão meiótica, divide-se proporcionando a separação dos dois cromatídeos. Estes migram para os pólos opostos do fuso acromático.
• Telófase II: Terminada a migração polar dos cromatídeos, que são cromossomas inteiros, reconstituem-se os respectivos núcleos, pela diferenciação do invólucro nuclear, nucléolos e pelo fenómeno de citodiérese. Como consequência cada núcleo contém a quantidade 1n de DNA (valor haplóide ) equivalente a um quarto da quantidade de DNA presente em G2 na célula original ao entrar em meiose . Os quatro núcleos formados têm destinos divergentes nas plantas e nos animais.

Herança Genética

Hereditariedade

Há muito que o Homem concluiu que, numa infinita diversidade de formas, as gerações se sucedem de tal modo que “semelhante gera semelhante”. Assim, do cão nasce sempre cão, do golfinho nasce sempre golfinho, bem como da ervilheira nasce sempre ervilheira. Já todos ouvimos expressões como: “ela tem os olhos da mãe…”, “o cabelo é igual ao do pai…”, “é mesmo parecida com a irmã…”, “tal pai tal filho”, etc. E porque somos tão similares aos nossos pais e irmãos?...a resposta está nos nossos genes! Cada um de nós recebe caracteres – em forma de genes – dos nossos pais. Esta transmissão dos genes dos pais para filhos é o princípio básico da herança genética. No entanto, se nós herdamos os genes dos nosso pais, então porque não somos exactamente idênticos a eles? De uma geração para a seguinte há características que se mantêm e outras não. Na reprodução sexuada os indivíduos nunca são exactamente iguais aos progenitores. Por vezes surgem até aspectos que estão mais associados a ascendentes muito afastados. Deste modo na hereditariedade torna-se premente explicar não só a estabilidade mas também as variações que se observam de uma geração para a seguinte.

O primeiro estudo quantitativo da hereditariedade foi levado a cabo por um monge austríaco, Gregor Mendel Num pequeno jardim do mosteiro, Mendel iniciou uma série de experiências em hibridação de plantas, e foram os resultados destas experiências que iriam revolucionar a nossa visão da hereditariedade, estabelecendo as bases científicas que explicam a transmissão dos caracteres hereditários.

Para estas experiências Mendel escolheu a ervilheira de cheiro Pisum sativum, uma vez que apresenta características que a tornam um excelente material de experimentação: além de ser fácil de cultivar, ter um crescimento rápido (o que permite a obtenção de várias gerações em pouco tempo) e ser de pequeno tamanho, possui caracteres bem diferenciados e constantes, que se reconhecem facilmente, e os órgão sexuais estão encerrados na corola onde normalmente se verifica autopolinização uma vez que ao gâmetas produzidos pela parte masculina e feminina da flor, podem fundir-se entre si e dar origem a descendência viável. Deste modo, a estrutura da corola, não permite a entrada de pólen estranho, evitando assim perturbações devidas a cruzamentos não desejados, e por outro lado permitiu a Mendel remover as anteras da flor antes da fertilização ocorrer, e transferir pólen da flor de outra ervilheira com características alternativas, acorrendo assim polinização cruzada artificial.

Hereditariedade autossómica com dominância e recessividade

Caracteres da ervilheira estudados por Mendel.

Muitas variedades de ervilheira encontravam-se à disposição na altura e Mendel optou por debruçar-se sobre sete caracteres diferentes, relativamente simples e bem distintos uns dos outros (tais como: a forma da semente, a cor, a cor da flor, etc.) e iniciou o seu estudo com a análise da transmissão de cada carácter isoladamente – monohibridismo (transmissão de uma característica hereditária. Cruzamento de indivíduos que diferem pelas formas alélicas de um par de genes).

Durante dois anos Mendel tentou isolar linhas puras, isto é, plantas que autopolinizadas, originam uma descendência que é sempre toda igual entre si e igual aos progenitores relativamente à característica considerada. Mendel apenas pretendeu estudar objectivamente os factos. E o que é que ele descobriu? Seleccionadas as linhas puras Mendel efectuou cruzamentos parentais, isto é cruzamentos entre indivíduos pertencentes a essas linhas puras em que o carácter em estudo assumia em cada um dos progenitores aspectos contrastantes. Por exemplo, o carácter cor da corola pode apresentar-se sob dois aspectos: branco ou vermelho-púrpura. Assim no cruzamento parental geração híbrida que ele obteve não era intermédia na sua cor como se previa inicialmente. A descendência apresentava sim uma das cores dos seus progenitores, como por exemplo, todas de cor vermelho-púrpura. No cruzamento parental, cada progenitor que nele intervém é habitualmente simbolizado pela letra P. Para conseguir este cruzamento, Mendel recorreu à polinização cruzada, impedindo o processo natural de autopolinização. As sementes colhidas nas plantas deste cruzamento deram origem a ervilheiras cujas flores tinham a corola vermelha púrpura. Esta geração filial designa-se por geração F1 ou híbridos da primeira geração.