A base material da herança, por Felipe A. P. L. Costa

Afinal, por que os cromossomos são tão importantes? A resposta é simples: porque são eles que transportam o material genético das células.

A base material da herança

Por Felipe A. P. L. Costa

Todos os seres vivos – incluindo, claro, os seres humanos – são gerados por algum processo reprodutivo.

Indivíduos de uma geração estabelecida, dita parental, dão origem a novos indivíduos; estes, referidos coletivamente como geração filial, poderão vir a ter os seus próprios descendentes.

Cria-se assim um elo entre gerações sucessivas.

O saldo líquido é a continuação da linhagem.

A reprodução pode ser sexuada ou assexuada.

No primeiro caso, há a participação de gametas; no segundo, não. Nas espécies em que diferentes indivíduos produzem diferentes tipos de gametas, o indivíduo que produz os gametas pequenos e móveis (espermatozoide ou célula espermática) é chamado de macho, enquanto o que produz gametas grandes e imóveis (óvulo ou oosfera) é chamado de fêmea.

O padrão de sexualidade em que cada indivíduo é exclusivamente macho ou fêmea é chamado de dioicia ou gonocorismo (do grego, gonós, genitálias + chorismós, separação).

O ser humano é um animal gonocórico.

Em muitos casos, porém, o mesmo indivíduo é capaz de produzir os dois tipos de gametas. Eles são chamados de hermafroditos (do latim, hermaphroditus, alusão ao filho dos personagens mitológicos Hermes e Afrodite), significando que um único indivíduo é portador dos dois sexos.

Minhocas e caracóis são exemplos de animais hermafroditos.

Mitose e meiose

Assim como todo organismo vivo descende de um organismo preexistente, toda e qualquer célula deriva de alguma célula preexistente.

A divisão celular – processo multiplicativo por meio do qual uma célula-mãe dá origem a duas ou mais células-filhas – atende a dois propósitos: crescimento e reprodução. Vejamos.

Entre os eucariotos, a depender das circunstâncias, as células podem se dividir por mitose ou por meiose [1].

Na mitose, a célula-mãe duplica o material genético (cromossomos, armazenados no núcleo) e, em seguida, o reparte equitativamente entre as duas células-filhas. Estas herdam cópias inalteradas do genoma parental – exceto quando ocorre alguma mutação (leia-se: alteração na sequência de bases da molécula de ADN). Uma repartição equilibrada do conteúdo celular é de vital importância, notadamente no caso dos cromossomos [2].

Na meiose, a célula-mãe também inicia o processo duplicando o seu material genético. Desta vez, no entanto, o material duplicado será repartido entre quatro células-filhas, cada uma herdando metade dos cromossomos parentais. Durante a meiose, os cromossomos homólogos se aproximam, formam pares e trocam pedaços entre si. Temos assim um processo de recombinação genética, em decorrência do qual cada uma das quatro células-filhas herdará uma combinação exclusiva dos genomas parentais [3].

Do zigoto ao bebê

O corpo humano – assim como o corpo de outros organismos multicelulares – abriga dois tipos de células, as vegetativas (ou somáticas) e as reprodutivas (gametas). Aquelas são produzidas por mitose e estas, por meiose.

Os gametas da espécie humana (espermatozoides e óvulos) possuem 23 cromossomos e são ditos haploides (n); as células somáticas possuem 46 e são ditas diploides (2n). Durante qualquer processo de divisão, as células se tornam temporariamente tetraploides (4n = 92); na mitose, este número é repartindo entre duas células-filhas, cada uma herdando 2n cromossomos; na meiose, cada célula-filha herda n cromossomos.

Nas espécies gonocóricas, a gametogênese é sucedida por outro desafio: os gametas masculinos e femininos precisam se encontrar. Quando se encontram, eles se fundem (fecundação) e dão origem a um zigoto (célula-ovo). Os núcleos dos gametas também se fundem, de modo que o material genético do zigoto (2n) é a soma do material genético paterno (n) e materno (n). O zigoto dará origem a um ou mais (no caso de gêmeos univitelinos) indivíduos.

A embriogênese – processo que, na espécie humana, transforma um zigoto unicelular e microscópico em um bebê formado de trilhões de células (e pesando uns 3,5 kg ao nascer) – depende de dois fenômenos: crescimento (aumento no número de células) e desenvolvimento (diferenciação das células em tecidos e órgãos especializados). O embrião dos animais em geral se desenvolve dentro de um ovo; o das plantas, dentro de uma semente [4].

Diferenciação sexual

Em espécies gonocóricas, a diferenciação sexual – macho ou fêmea? – pode depender da presença de cromossomos sexuais, sendo então estabelecida na fecundação. Em animais, quatro sistemas de determinação cromossômica costumam ser referidos: XY, X0 (xis-zero), ZW e Z0 (zê-zero).

Na espécie humana, o sistema é do tipo XY: as fêmeas possuem duas cópias do cromossomo X, enquanto os machos possuem uma cópia de X e outra de Y. Machos e fêmeas possuem os mesmos 22 pares de autossomos, mas têm um par desigual de cromossomos sexuais – eles têm XY e elas, XX. O sexo masculino é dito heterogamético (espermatozoides transportam X ou Y), enquanto o feminino é homogamético (óvulos sempre transportam X).

Se um óvulo (n = 22 + X) é fecundado por um espermatozoide X (n = 22 + X), o zigoto dará origem a um embrião feminino (2n = 44 + XX); se a fecundação envolve um espermatozoide Y (n = 22 + Y), o embrião será masculino (2n = 44 + XY) [5]. Em ambos os casos, os filhos herdam 23 (22 + X ou Y) cromossomos de cada genitor.

Generalizando, na reprodução sexuada, cada genitor transmite n cromossomos a cada descendente.

Cromossomos, genoma, genótipo

Afinal, por que os cromossomos são tão importantes? A resposta é simples: porque são eles que transportam o material genético das células.

Nas células eucarióticas, o cromossomo é uma estrutura densa e enovelada, cuja composição inclui um ácido nucleico (ácido desoxirribonucleico, ADN ou DNA, na sigla em inglês) e proteínas (histonas) [6]. O componente funcional é o ADN, as proteínas desempenham papéis auxiliares. Cromossomos podem ser isolados, corados e visualizados ao microscópio. São entidades físicas e, neste sentido, não devem ser confundidos com o genoma.

Cada cromossomo é uma gigantesca molécula de ADN, dobrada sobre si mesma várias vezes; não há pontas soltas nem ramificações ao longo da cadeia. A molécula de ADN é uma sequência linear de nucleotídeos e é a essa sequência (comumente representada na forma 3’-AATCCAGATTCA…-5’) que damos o nome de genoma. Podemos nos referir ao genoma de um único cromossomo, de uma  célula ou de um organismo como um todo.

Nem todos os trechos do genoma são funcionais, o que significa dizer que nem todos os segmentos da cadeia de ADN se expressam. No âmbito deste livro, vamos definir um gene como um segmento da molécula de ADN que se expressa, controlando a síntese de proteínas específicas ou afetando o comportamento de outros genes [7].

Cada gene tende a ocupar uma posição específica (lócus) em um cromossomo. Genes podem ser invariantes ou podem exibir duas ou mais formas alternativas, referidas como alelos (ou alelomorfos). Os alelos de um gene diferem entre si em virtude de alguma alteração em suas sequências de nucleotídeos, o que em geral (mas nem sempre) determina a síntese de proteínas diferentes.

Variantes alélicas de um gene são habitualmente representadas na forma de genótipos. Estes são expressos por meio de letras, ou símbolos equivalentes. Se há dominância (v. adiante) entre os alelos, o dominante é representado por uma letra maiúscula (e.g., A ou Z) e o recessivo, por uma letra minúscula (e.g., a ou z). O número de alelos determina o número de genótipos – e.g., dois alelos (A, a) dão origem a três genótipos diploides (AA, Aa, aa); três alelos (B1, B2, b) dão origem a seis (B1B1, B1B2, B1b, B2B2, B2b, bb); e assim por diante. Embora não haja propriamente um limite, em geral as formas variantes de um gene não são muito numerosas [8].

Um organismo diploide é dito homozigoto quando as duas versões de um gene que ele possui são iguais – e.g., AA e aa são genótipos homozigotos. Os gametas de um homozigoto são invariantes, pois todos transportam o mesmo alelo – A, no caso de AA, e a, no de aa. O organismo é dito heterozigoto quando os dois alelos daquele gene são desiguais – e.g., o heterozigoto Aa produz dois tipos de gametas, metade transportando A e a outra metade, a.

Os alelos que só se expressam em homozigose são ditos recessivos; já os que se expressam em qualquer condição (homo ou heterozigose) são ditos dominantes. Sem um exame mais detalhado, o fenótipo do homozigoto dominante (AA) e o do heterozigoto (Aa) tendem a ser indistinguíveis. Em termos moleculares, o que ocorre é que o dominante suprime a expressão do recessivo. Este último, portanto, só consegue se expressar na ausência daquele [9].

Todavia, cabe registrar o seguinte: há casos em que diferentes alelos de um gene – ditos codominantes – se expressam ao mesmo tempo. Quando isso ocorre, o fenótipo do heterozigoto (Aa) tende a ser intermediário ao dos dois homozigotos (AA e aa), dando a momentânea e falsa impressão de que os traços dos genitores foram misturados na prole. (A hipótese da herança por mistura, como veremos mais tarde, já foi muito popular.)

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Notas

[*] Artigo extraído e adaptado do livro O que é darwinismo (2019), assim como 14 artigos anteriores – ver aqui, aqui, aqui, aqui, aqui, aqui, aqui, aqui, aqui, aqui, aqui, aqui, aqui e aqui. (A versão impressa contém referências bibliográficas.) Para detalhes e informações adicionais sobre o livro, inclusive sobre o modo de aquisição por via postal, faça contato com o autor pelo endereço meiterer@hotmail.com. Para conhecer outros artigos e livros, ver aqui.

[1] Em eucariotos unicelulares (e.g., protozoários e algas), a propagação se dá por mitose (reprodução assexuada) ou meiose (r. sexuada). Em procariotos, a divisão é uma fissão binária: cada célula cresce até dobrar de tamanho, quando então se forma um septo que a divide em duas.

[2] Cromossomos são como as peças de um quebra-cabeça; se faltam ou sobram peças, o conjunto pode falhar – e.g., um a mais ou um a menos já resulta nas chamadas síndromes cromossômicas.

[3] Células humanas têm 23 pares de cromossomos homólogos; em cada par, um cromossomo é de origem paterna e o outro, de origem materna.

[4] O embrião dos mamíferos placentários se desenvolve em uma placenta. Entre as plantas, apenas as espermatófitas produzem sementes.

[5] Duas ressalvas: (1) Há alguma plasticidade na determinação do sexo; e (2) Há evidências de que os genitores podem manipular o sexo da prole.

[6] Procariotos têm um único cromossomo circular (ou genóforo) imerso no citoplasma, além de pequenos anéis (plasmídeos).

[7] O genoma humano foi mapeado pelo Projeto Genoma Humano (1990-2003). Até então, imaginava-se que os 24 (22 + X e Y) cromossomos humanos transportassem ~100 mil genes codificadores de proteínas. Em 2003, os resultados indicaram 35 mil; em 2004, o total foi rebaixado para 20-25 mil. (Há ainda genes que não codificam proteínas.) Eles são formados de ~3,08 bilhões de pares de bases. Estima-se que dois seres humanos difiram em média em 0,01% de suas bases. Significaria dizer que cada um de nós compartilha 99,99% do genoma com outros seres humanos.

[8] O limite último depende do número de indivíduos, N. Mas quantos alelos podem ser mantidos em uma população finita? A produção de alelos depende da taxa de mutação (= número de mutações / lócus / geração). A expressão (4Neu + 1) dá uma boa estimativa, onde Ne é o tamanho efetivo da população e u é a taxa de mutação. O tamanho efetivo corresponde ao número de indivíduos que, em condições ideais (razão sexual equilibrada etc.), teria o fundo gênico exposto aos mesmos riscos de mudança aleatória (deriva) que uma população real, de tamanho N. (Ne costuma ser menor ou muito menor que N.) O modelo pressupõe que os alelos são neutros e que cada mutante difere dos demais alelos preexistentes. Se 4Ne << (1/u), a maioria dos indivíduos da população será homozigota para o gene em questão.

A taxa de mutação não é uma constante universal, decorrente da estrutura da molécula de ADN. É uma variável sujeita a ajustes. A afirmativa de que as “mutações ocorrem ao acaso” é uma figura de linguagem, com a qual se quer enfatizar a falta de correspondência entre as condições de vida e a identidade dos lócus que sofrem mutações. (Alguns neolamarckistas pensam diferente.) Mutações com efeitos no fenótipo não se distribuem ao acaso no genoma.

[9] A evolução da dominância / recessividade é por si só uma questão fascinante.

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