Principais características do gene
Foi agora estabelecido na biologia molecular que os genes são
Ao mesmo tempo, cada gene é caracterizado por uma série de sequências regulatórias específicas de DNA, como promotores, que estão diretamente envolvidos na regulação da expressão gênica.
Assim, o conceito de gene não se limita apenas à região codificadora do DNA, mas é um conceito mais amplo que inclui sequências regulatórias.
Os genes podem sofrer mutações - aleatórias oumudanças direcionadas na sequência de nucleotídeos na cadeia de DNA. As mutações podem levar a uma alteração na sequência e, portanto, a uma alteração nas características biológicas da proteína ou RNA, o que, por sua vez, pode resultar em alteração geral ou local ou funcionamento anormal do corpo.
Tais mutações, em alguns casos, sãopatogênicos, pois resultam em doença, ou letais em nível embrionário. No entanto, nem todas as alterações na sequência de nucleótidos conduzem a alterações na estrutura da proteína (devido ao efeito de degenerescência do código genético) ou a uma alteração significativa na sequência e não são patogénicas.
Como funciona a evolução molecular?
- Mutação
A replicação do DNA é, em sua maior parte, extremamentepreciso, mas erros acontecem. A taxa de erro em células eucarióticas pode ser tão baixa quanto 10-8 por nucleotídeo por replicação, enquanto para alguns vírus de RNA pode ser tão alta quanto 10-3. Isto significa que em cada geração, cada pessoa acumula 1-2 novas mutações no genoma.
Pequenas mutações podem ser causadas por replicaçãoO DNA e as consequências dos danos ao DNA incluem mutações pontuais, nas quais uma única base é alterada, e mutações frameshift, nas quais uma única base é inserida ou excluída.
Grandes mutações podem ser causadas por erros na recombinação para causar anomalias cromossômicas, incluindo duplicação, rearranjo ou inversão de grandes seções de um cromossomo.
Além disso, os mecanismos de reparo do DNA podemintroduzir erros mutacionais ao restaurar o dano físico a uma molécula. O reparo, mesmo com uma mutação, é mais importante para a sobrevivência do que o reparo de réplicas, por exemplo, ao reparar quebras de fita dupla.
- Número de genes
Tamanho do genoma e número de genes que ele contémcontém, variam significativamente entre os grupos taxonômicos. Os menores genomas são encontrados em vírus e viróides (que atuam como um único gene de RNA não codificante).
Por outro lado, as plantas podem ter grandesgenomas, o arroz contém mais de 46.000 genes que codificam proteínas. O número total de genes codificadores de proteínas (o proteoma da Terra), estimado em 2007 em 5 milhões de sequências, foi reduzido para 3,75 milhões em 2017.
Causas de mutações
Existem mutações:
- espontâneo,
- induzido.
Mutações espontâneas ocorrem espontaneamenteao longo da vida do organismo em condições ambientais normais com uma frequência por nucleotídeo para a geração celular do organismo de cerca de 10−9 a 10−12
Mutações induzidas são herdadasalterações no genoma resultantes de certas influências mutagênicas em condições artificiais (experimentais) ou sob influências ambientais adversas.
Mutações aparecem constantemente durante os processosocorrendo em uma célula viva. Os principais processos que levam à ocorrência de mutações são a replicação do DNA, distúrbios de reparo do DNA, transcrição e recombinação genética.
- Associação de mutações com replicação de DNA
Muitas mudanças químicas espontâneasos nucleotídeos levam a mutações que ocorrem durante a replicação. Por exemplo, devido à desaminação da citosina oposta à guanina, a uracila pode ser incluída na cadeia de DNA (um par U-G é formado em vez do par C-G canônico).
- Associação de mutações com recombinação de DNA
Dos processos associados à recombinação, a maioriafreqüentemente leva ao cruzamento desigual de mutações. Geralmente ocorre quando o cromossomo contém várias cópias duplicadas do gene original que retêm uma sequência de nucleotídeos semelhante. Como resultado do cruzamento desigual, ocorre duplicação em um dos cromossomos recombinantes e uma deleção ocorre no outro.
- Associação de mutações com reparo de DNA
Danos espontâneos ao DNA são bastante comuns.frequentemente, esses eventos ocorrem em todas as células. Para eliminar as consequências de tais danos, existem mecanismos de reparo especiais (por exemplo, uma seção de DNA errônea é cortada e o original é restaurado neste local). As mutações surgem apenas quando o mecanismo de reparo por algum motivo não funciona ou não dá conta da eliminação do dano.
Quais são as mutações
Existem diversas classificações de mutações de acordo comvários critérios. Möller propôs dividir as mutações de acordo com a natureza da mudança no funcionamento do gene em hipomórficas (alelos alterados agem na mesma direção que os alelos do tipo selvagem.
Apenas menos produto proteico é sintetizado), amorfo (a mutação parece uma perda completa da função do gene, por ex.Brancoem Drosophila), antimórfico (o traço mutante muda, por exemplo, a cor do grão de milho muda de roxo para marrom) e neomórfico.
A literatura educacional moderna também usa uma classificação mais formal baseada na natureza das mudanças na estrutura dos genes individuais, dos cromossomos e do genoma como um todo.
Dentro da estrutura desta classificação, os seguintes tipos de mutações são distinguidos:
- Genômico— poliploidização e aneuploidia —uma mudança no número de cromossomos que não é um múltiplo do conjunto haplóide. Dependendo da origem dos conjuntos de cromossomos entre os poliplóides, é feita uma distinção entre os alopoliplóides, que possuem conjuntos de cromossomos obtidos por hibridização de diferentes espécies, e os autopoliplóides, nos quais o número de conjuntos de cromossomos de seu próprio genoma aumenta em um múltiplo de n.
- Cromossômico.Quando ocorrem mutações cromossômicasgrandes rearranjos na estrutura dos cromossomos individuais. Nesse caso, ocorre perda (deleção) ou duplicação de parte (duplicação) do material genético de um ou mais cromossomos, mudança na orientação dos segmentos cromossômicos em cromossomos individuais (inversão), bem como transferência de parte do material genético de um cromossomo para outro (translocação).
- Genético. No nível do gene, mudanças no primárioAs estruturas de DNA dos genes sob a influência de mutações são menos significativas do que as mutações cromossômicas, mas as mutações genéticas são mais comuns. Como resultado de mutações genéticas, ocorrem substituições, deleções e inserções de um ou mais nucleotídeos, translocações, duplicações e inversões de várias partes do gene. No caso em que apenas um nucleotídeo muda sob a influência de uma mutação, fala-se de mutações pontuais.
As consequências das mutações para a célula e o corpo
Mutações que prejudicam a atividade celular em um organismo multicelular geralmente levam à destruição celular (em particular, morte celular programada - apoptose).
Se os mecanismos de defesa intra e extracelular não sãoreconheceu uma mutação, e a célula sofreu divisão, então o gene mutante será passado para todos os descendentes da célula e, na maioria das vezes, leva ao fato de que todas essas células passam a funcionar de forma diferente.
Mutação na célula somática de um complexoum organismo multicelular pode levar a neoplasias malignas ou benignas, uma mutação na célula germinativa - a uma mudança nas propriedades de todo o organismo descendente.
Em estável (inalterado ou ligeiramente alterado)condições de existência, a maioria dos indivíduos possui um genótipo próximo do ideal, e as mutações causam perturbações nas funções do corpo, reduzem sua aptidão e podem levar à morte do indivíduo.
No entanto, em casos muito raros, uma mutação podelevam ao aparecimento de novas características úteis no corpo, e então as consequências da mutação são positivas; neste caso, são um meio de adaptação do corpo ao meio ambiente e, por isso, são chamadosadaptativo.
O papel das mutações na evolução
Com uma mudança significativa nas condições de vida, as mutações que antes eram prejudiciais podem revelar-se úteis. Assim, as mutações são o material para a seleção natural.
Assim, mutantes melanísticos (indivíduos de cor escura) empopulações da mariposa da bétula na Inglaterra foram descobertas pela primeira vez por cientistas entre indivíduos típicos de cor clara em meados do século XIX. A coloração escura ocorre como resultado de uma mutação em um gene. As borboletas passam o dia nos troncos e galhos das árvores, geralmente cobertos de líquenes, contra os quais a coloração clara funciona como camuflagem.
Como resultado da revolução industrial,acompanhados pela poluição atmosférica, os líquenes morreram e os troncos leves das bétulas ficaram cobertos de fuligem. Como resultado, em meados do século 20 (mais de 50-100 gerações), nas áreas industriais, a forma escura substituiu quase completamente a clara.
Foi demonstrado que a principal razão para a sobrevivência predominante da forma negra é a predação de pássaros, que se alimentavam seletivamente de borboletas claras em áreas contaminadas.
O problema da aleatoriedade das mutações
Na década de 1940, era popular entre os microbiologistaso ponto de vista, segundo o qual as mutações são causadas pela influência de um fator ambiental (por exemplo, um antibiótico), ao qual permitem se adaptar. Para testar esta hipótese, um teste de flutuação e um método de réplica foram desenvolvidos.
O teste de flutuação Luria-Delbrück consiste emem que pequenas porções da cultura bacteriana original são dispersas em tubos de ensaio com meio líquido e, após vários ciclos de divisões, um antibiótico é adicionado aos tubos de ensaio. Então (sem divisões subsequentes) as bactérias sobreviventes resistentes aos antibióticos são semeadas em uma placa de Petri com meio sólido.
O teste mostrou que o número de colônias resistentes deÉ muito variável entre os diferentes tubos - na maioria dos casos é pequeno (ou zero) e, em alguns casos, é muito alto. Isso significa que as mutações que causaram resistência aos antibióticos ocorreram em pontos aleatórios no tempo, antes e depois de sua exposição.
Assim, por ambos os métodos foi comprovado queAs mutações “adaptativas” surgem independentemente da influência do fator ao qual permitem a adaptação e, nesse sentido, as mutações são aleatórias. No entanto, não há dúvida de que a possibilidade de certas mutações depende do genótipo e é canalizada pelo curso anterior da evolução.
Como as mutações genéticas são detectadas?
Primeiro, o material biológico é retirado do paciente.(sangue, urina, biópsia muscular, etc.), o DNA é isolado deles usando técnicas especiais. Em seguida, por meio de métodos específicos, a amostra de DNA por nós obtida é preparada para o sequenciamento gênico.
Além disso, é revelado onde exatamente neste paciente houve uma substituição de um ou mais nucleotídeos (ou quaisquer outras alterações na deleção, inserção, etc.).
O teste genético molecular (pesquisa de mutações no gene responsável pelo desenvolvimento da doença) permite estabelecer com precisão o diagnóstico de uma doença hereditária.
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