Diversidade de organismos que habitam a Terra: biodiversidade.

SITUAÇÃOSITUAÇÃO--PROBLEMA:PROBLEMA:SITUAÇÃOSITUAÇÃO PROBLEMA:PROBLEMA:

Como explicar a grande diversidade dos seres vivos na natureza?natureza?

Tecido muscular.

Tecido nervoso.

O que permitirá explicar a diversidade de formas e funções de células de um mesmo organismo?ç g

Tecido sanguíneo.

Toda a informação para o desenvolvimento de um ser adultodesenvolvimento de um ser adulto

encontra-se na sua primeira célula – o ovo.

Às vezes, a observação de uma determinada célula, durante um curto período de tempo, pode revelar p p , p

grandes mudanças no seu interior. O que se estará a passar?

De que modo se relaciona a informação contida no DNA com o aspecto de um ser vivo?p

Friedrich Miescher

Friedrich Miescher descobre, em 1869, o DNA.

Como se chegou ao modelo do DNA e ao conhecimentoComo se chegou ao modelo do DNA e ao conhecimento da sua importância?

Experiência de Griffith (1928)p ( )

Frederick Griffith(1881-1941)

Interessado em conhecer o modo de actuação dos pneumococosInteressado em conhecer o modo de actuação dos pneumococos,bactérias que provocam a pneumonia, e sabendo da existência deduas estirpes distintas da espécie Streptococcus pneumoniae, a formaR (com aspecto rugoso e não virulenta) e a forma S (de aspecto liso eR (com aspecto rugoso e não virulenta) e a forma S (de aspecto liso ealtamente virulenta), Griffith idealizou a experiência seguinte:

Colónias rugosas de S. pne moniaepneumoniae

Colónias lisas de S. ipneumoniae

Experiência de Avery, MacLeod e McCarthy (1944)p y, y ( )

Oswald Avery(1877-1955)

Dando continuidade à experiência de Griffith, Avery e os seuscolaboradores conceberam e aplicaram a e periência seg intecolaboradores conceberam e aplicaram a experiência seguinte:

Experiência de Hershey e Chase (1952)p y ( )

Martha Chase (1927-2003) e Alfred Hershey (1908-1997)

Bacteriófagos a infectar E. coli(imagem microscópica)

DNADNA

Ácido desoxirribonucleico.

É o suporte da informação biológica,onde estão “escritas” asonde estão “escritas” ascaracterísticascaracterísticas de cada organismo.

Qual a estrutura do DNA?

Rosalind Franklin (1920-1958)

Padrão do DNA obtido por difracção de raios X.

Quando um feixe de raios X incide sobre o material cristalizado, oradiograma da difracção reflecte a configuração das partículas nocristal. A configuração em cruz indica que o DNA apresenta a forma deuma hélice.

Rosalind Franklin e Maurice Wilkins estudaram a difracção de raiosX na molécula cristalizada de DNA e concluíram que a sua estrutura éX na molécula cristalizada de DNA e concluíram que a sua estrutura éhelicoidal.

Configuração geral de um nucleótido.

NucleótidoNucleótido

Unidade básica dos ácidos nucleicos.

Cada nucleótido é constituído poruma base azotada uma pentose e umuma base azotada, uma pentose e umgrupo fosfato.

Diversidade de desoxirribonucleótidos (A) e de ribonucleótidos (B).

Quando uma cadeia está em formação,cada novo nucleótido liga-se pelo grupog p g pfosfato ao carbono 3’ da pentose doúltimo nucleótido da cadeia, repetindo-seo processo na direcção 5’ 3’.

Cadeia polinucleótidica

Os nucleótidos unem se entre si porOs nucleótidos unem-se entre si porligações entre o radical fosfato de umnucleótido e o carbono 3’ da pentose donucleótido seguintenucleótido seguinte.

O processo repete-se no sentido 5’ 3’.

O número e a ordem dos nucleótidos aO número e a ordem dos nucleótidos, asequência nucleotídica, define ascaracterísticas de cada indivíduo.

Aspecto de uma cadeia polinucleotídica.

Composição em nucleótidos de DNA de diferentes organismos (os valores são dados com uma pequena

Quantidade de bases no DNA de vários organismos

margem de erro, devido às técnicas de análise).

g

Organismo% de bases

Adenina Timina Guanina Citosina

Escherichia coli(bactéria) 26,0 23,9 24,9 25,2

Streptococcus Erwin Chargaff(1905-2002)

Streptococcus pneumoniae (bactéria) 29,8 31,6 20,5 18,1

Saccharomyces i i (l d ) 31,7 32,6 18,3 17,4cerevisiae (levedura) 31,7 32,6 18,3 17,4

Tartaruga 28,7 27,9 22,1 21,3

Salmão 29 7 29 1 20 8 20 4Salmão 29,7 29,1 20,8 20,4

Galinha 28,0 28,4 22,0 21,6

Homem 30 3 30 3 19 5 19 9Homem 30,3 30,3 19,5 19,9

As bases azotadas do DNA.s bases a otadas do

Das suas experiências pôde concluir aquilo que ficariaconhecido por RegrasRegras dede ChargaffChargaff, e que, resumidamente, são:

o DNA de indivíduos diferentes apresenta quantidadesdiferentes de cada uma das bases azotadas (adenina timinadiferentes de cada uma das bases azotadas (adenina, timina,guanina e citosina);

em todas as moléculas de DNA, a quantidade de bases púricas(bases de duplo anel, guanina e adenina) é igual à quantidade debases pirimídicas (bases de anel simples, timina e citosina), sendop ( p , ),a quantidade de adenina igual à de timina, e a quantidade decitosina igual à de guanina.

Todas as espécies possuem DNADNA.

Em cada espécie há uma grande semelhança entre asEm cada espécie há uma grande semelhança entre asquantidades de timinatimina e de adeninaadenina, por um lado, e de citosinacitosina eguaninaguanina, por outro.

O número de nucleótidos e a sua ordem variam nas diferentesdiferentesO número de nucleótidos e a sua ordem variam nas diferentesdiferentesmoléculas de DNA.

Todas as células somáticassomáticas de um organismo possuem,normalmente, DNA de igual composição., g p ç

Em 1953, JamesJames WatsonWatson e FrancisFrancis CrickCrick apresentaram umaproposta de um modelo de dupla hélice para a estrutura do DNAproposta de um modelo de dupla hélice para a estrutura do DNA.

Watson e Crick, ao lado do modelo de DNA por eles idealizado

Segundo Watson e Crick, o DNA é uma longa molécula em forma dedupla hélice assemelhando-se a uma escada de corda enroladadupla hélice, assemelhando se a uma escada de corda enroladahelicoidalmente.

As bandas laterais da hélice são formadas pormoléculas de fosfatofosfato (P), que alternam commoléculas de desoxirribosedesoxirribose, e os “degraus”centrais são pares de basesbases ligados entre si porpontes de hidrogénio.

A especificidade de ligações hidrogénio entre asbases é chamada de complementaridadecomplementaridade dede basesbases:

A adeninaadenina liga-se à timinatimina (AA--TT) por duas ligaçõesg ( ) p g çhidrogénio.

A guaninaguanina liga-se à citosinacitosina (GG--CC) por três ligaçõeshidrogéniohidrogénio.

TiminaTimina (T) e CitosinaCitosina (C) – bases pirimídicas (em anelsimples)

AdeninaAdenina (A) e GuaninaGuanina (G) – bases púricas (em anelduplo)

Consideram-se 4 categorias de nucleótidos,designados pela base azotada que entra na suaconstituição: nucleótidonucleótido timinatimina, nucleótidonucleótido citosinacitosina,nucleótidonucleótido adeninaadenina e nucleótidonucleótido guaninaguanina.

As duas cadeias desenvolvem-se em sentidosopostos: à extremidade 3’ de uma cadeiacorresponde a extremidade 5’ da outra – são cadeiascadeiasantiparalelasantiparalelas.

Aspecto da dupla cadeia do DNA.

Apresente uma justificação para:

as regras de Chargaff;

o diâmetro constante do DNA;

o facto de no DNA, molécula viscosa, a viscosidade diminuir quandoé sujeita a aquecimento, sabendo que este mesmo método destróiligações por pontes de hidrogénio;

f t d i tid d d i lé l d DNAo facto de a maior quantidade de guanina, numa molécula de DNA,corresponder uma maior quantidade de energia necessária paraseparar as duas cadeias.

Estrutura tridimensional do DNA, onde é visível o seu aspecto de hélice.

A t t d DNA é t d é i é i lA estrutura do DNA é a mesma em todas as espécies e é universalno mundo vivo – universalidadeuniversalidade dodo DNADNA.

Mas cada indivíduo é único, tendo o seu próprio DNA – variabilidadevariabilidadedodo DNADNA.

O ú d l ótid d i dif tO número de nucleótidos e a sua ordem variam nas diferentesmoléculas de DNA.

É nas sequênciassequências nucleotídicasnucleotídicas que está codificada a informaçãoinformaçãogenéticagenética que define as características de cada indivíduo.gg q

O ã t d DNA ê i l tídiOs genesgenes são segmentos de DNA, com uma sequência nucleotídicaprópria, que contém determinada informação.

O conjunto de genes que constitui a informação genética de umindivíduo tem o nome de genomagenoma.

O genoma humano possui de 30 a 50 mil genes englobando 2 825milhões de pares de bases.

Modelo de dupla hélicep

A lé l d DNA é t dd d id i li l tídili l tídiA molécula de DNA é composta por duasduas cadeiascadeias polinucleotídicaspolinucleotídicasdispostas em sentidos inversos – cadeiascadeias antiparalelasantiparalelas – enroladasem torno de um eixo imaginário.

As cadeias polinucleotídicas estão unidas por pontes de hidrogénioentre pares de bases azotadas – complementaridadecomplementaridade dede basesbases (aentre pares de bases azotadas complementaridadecomplementaridade dede basesbases (aadenina liga-se à timina e a citosina liga-se à guanina).

Como é que o DNA se replica?q p

Arthur Kornberg (1918-2007)

Em 1956, demonstrou que era possível replicar o DNA in vitro (nolaboratório, fora de um organismo vivo), sem a presença de células,recorrendo a: DNA DNA polimerase (uma enzima que obteve a partirrecorrendo a: DNA, DNA polimerase (uma enzima que obteve a partirde uma bactéria) e a nucleótidos.

Segundo Watson e Crick, o DNA autoduplicaria de formasemiconservativasemiconservativa: cada uma das cadeias serviria de molde para umanova cadeia e consequentemente cada uma das novas moléculasnova cadeia e, consequentemente, cada uma das novas moléculasseria formada por uma cadeia antiga e uma cadeia nova.

A hipótese conservativaconservativa admitia que a molécula de DNA progenitorase mantinha na íntegra, servindo apenas de molde para a formação damolécula filha a qual seria formada por duas novas cadeias demolécula filha, a qual seria formada por duas novas cadeias denucleótidos.

A hipótese dispersivadispersiva admitia que cada molécula-filha seria formadapor porções da molécula inicial e por regiões sintetizadas de novo.

Na replicaçãoreplicação semiconservativasemiconservativaNa replicaçãoreplicação semiconservativasemiconservativauma das duas cadeias da moléculade DNA que se forma deriva damolécula original e a outra émolécula original, e a outra ésintetizada de novo.

Na replicaçãoreplicação conservativaconservativa poderiapreservar as duas cadeias damolécula original e gerar umamolécula original e gerar umamolécula de DNA composta porduas cadeias inteiramente novas.

Na replicaçãoreplicação dispersivadispersiva poderiaproduzir duas moléculas com DNAproduzir duas moléculas com DNAem que ambas as cadeias eramformadas por fragmentosoriginários da molécula inicialoriginários da molécula inicialalternados por fragmentossintetizados de novo.

Experiências de Meselson e Stahlp

Matthew Meselson (n. 1930)Franklin Stahl (n. 1929)

Em 1958, dois investigadores, Meselson e Stahl, realizaram uma sériede e periências na tentati a de descobrir o processo da replicaçãode experiências na tentativa de descobrir o processo da replicação.

1) Cultivaram bactérias (Escherichia coli) em meios de culturadiferentes: um contendo um isótopo pesado de azoto (15N) e outrocontendo azoto normal (14N).( )

2) Extraíram o DNA das bactérias presentes em cada um dos meios eprocederam à sua centrifugação.

3) V ifi d i d DNA d b é i l i d 15N3) Verificaram que as cadeias de DNA das bactérias cultivadas com 15Neram mais densas do que as cadeias das que cresceram no meio com14N.

4) Após várias gerações de bactérias se terem desenvolvido no meiocom azoto pesado, foram transferidas para um meio de cultura comazoto normal.

5) Ao fim de 20 minutos (tempo necessário para que estas bactérias sedividam e originem uma nova geração), foi retirada uma amostra G1,

íd DNA if d ifi d d lé l dextraído o DNA e centrifugado, verificando-se que cada molécula deDNA apresenta uma densidade intermédia entre o DNA só com 14N e oDNA só com 15N.

Qual das 3 hipóteses iniciais para a replicação do DNA pode já eliminar-se?pode já eliminar se?

A hipótese conservativa, pois todas as moléculas de DNA tinham

densidade intermédia.

6) Ao fim de 40 minutos foi retirada uma nova amostra (G2), que foi,também, sujeita ao procedimento anterior, tendo-se obtido 50% de

lé l d DNA 14N 15N 0% d lé l ó 14Nmoléculas de DNA com 14N e 15N e 50% de moléculas só com 14N.

Qual a hipótese que é confirmada?

Os resultados obtidos porpMeselson e Stahl apoiam a hipótesesemiconservativa que, das duas querestam, é a única que explica asproporções anteriores.

Que resultados serão de esperar numa 3.ª geração?

Duas bandas

P-L + L-LP L + L L

Uma banda P-L

Uma banda P-PUma banda P-P

Numa 3ª geração, será de esperar 75%g ç , pdo DNA com o nível de densidadecorrespondente ao DNA com 14N e 25%de DNA com densidade intermédia.

Nas gerações seguintes surgirá umaproporção crescente de moléculas deproporção crescente de moléculas deDNA com densidades correspondentesao DNA com 14N.

Interpretação dos resultados:p ç

As bactérias cultivadas com 15N incorporam esse azoto nos seusAs bactérias cultivadas com N incorporam esse azoto nos seusnucleótidos, formando um DNA com maior densidade, que se depositamais próximo do fundo do tubo sujeito a centrifugação.

Quando as bactérias são transferidas para um meio de cultura com14N utilizam esse azoto para produzirem novas cadeias de DNA14N, utilizam esse azoto para produzirem novas cadeias de DNA.

Assim na 1ª geração cada molécula de DNA apresenta uma cadeiaAssim, na 1ª geração, cada molécula de DNA apresenta uma cadeiade nucleótidos com 15N (que provinha da geração parental) e outracom 14N (formada com nucleótidos que incorporaram o azoto presente

i ) D t f lé l d DNA tno meio). Desta forma, as moléculas de DNA apresentam umadensidade intermédia entre DNA com 15N e DNA com 14N.

Como ocorre a replicação do DNA?p ç

Replicação do DNAp ç

Sendo suporte da informação genética, o DNA necessita de se auto-reproduzir, fazendo cópias dessa informação, de modo a transmiti-lade geração em geraçãode geração em geração.

Replicação semiconservativaReplicação semiconservativa

1) As duas cadeias da dupla hélice (na presença deenzimas específicas – DNADNA--polimerasespolimerases) separam-seenzimas específicas DNADNA--polimerasespolimerases), separam-sepor ruptura das ligações hidrogénio.

2) Cada uma das cadeias serve de molde à formaçãode uma cadeia complementar, sendo utilizadosnucleótidos que existem livres na célula.

3) Formam-se, simultaneamente, duas cadeias novasde desoxirribonucleótidos, de acordo com a regra decomplementaridade de bases, que sãocomplementares das duas cadeias originais, sendocada uma antiparalela em relação à que lhe serviu demolde.

Replicação do DNA.

O mecanismo de replicação envolve:

desenrolamentodesenrolamento do DNA

rompimentorompimento, por acção enzimática (DNA-polimerases), de pontesde hidrogénio entre bases complementares

incorporaçãoincorporação de nucleótidos do meio por complementaridadeincorporaçãoincorporação de nucleótidos do meio, por complementaridade,com formaçãoformação de duas novas cadeias

Replicação semiconservativaReplicação semiconservativap çp ç

A replicação é semiconservativasemiconservativa – cada cópia da molécula de DNAep cação é se co se at ase co se at a cada cóp a da o écu a decontém uma das cadeias da molécula de DNA original e uma cadeiaque se formou de novo segundo a regra da complementaridade debasesbases.

MeselsonMeselson e StahlStahl confirmaram experimentalmente a replicaçãoMeselsonMeselson e StahlStahl confirmaram experimentalmente a replicaçãosemiconservativa em 1958.

A replicação semiconservativa permite explicar a transmissãotransmissão doprograma genético e a relativa estabilidadeestabilidade da composição do DNA nodecurso das divisões celulares.