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Hereditariedade

Biologia do AP · Tópico 5

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7:53

Hereditariedade

Dois caracóis na mesma árvore. Mesma espécie, mesma casca, mesmo clima. Mas olhe para as conchas. Uma é clara com finas faixas escuras, a outra é escura com largas…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

5.1

Meiose

Programa

Compreensão Duradoura (GRANDE IDEIA 3 — Armazenamento e Transmissão de Informações): Sistemas vivos armazenam, recuperam, transmitem e respondem às informações essenciais aos processos vitais.

Objetivo de Aprendizagem 5.1.A: Explicar como a meiose resulta na transmissão de cromossomos de uma geração para a outra.

  • 5.1.A.1 A meiose é um processo que garante a formação de células gaméticas haploides, por vezes referidas como células filhas, em organismos diploides que se reproduzem sexualmente.
  • 5.1.A.2 A Meiose I envolve as seguintes etapas:
    • i. Prófase I: Cromossomos homólogos pareiam-se e condensam, ocorre a sinapse e depois podem formar-se quiasmas, o fuso meiótico começa a formar-se, os centrômeros movem-se para polos opostos da célula e a envoltória nuclear rompe-se.
    • ii. Metafase I: As fibras do fuso meiótico alinham pares homólogos de cromossomos ao longo do equador da célula na placa metafásica.
    • iii. Anáfase I: Cromossomos homólogos separam-se, enquanto cromátides-irmãs permanecem ligadas, à medida que as fibras do fuso meiótico puxam os cromossomos em direção aos polos.
    • iv. Telófase I: O fuso meiótico desmonta, uma nova envoltória nuclear desenvolve-se, forma-se um sulco de clivagem (célula animal) ou placa celular (célula vegetal), e ocorre a citocinese. Duas células filhas haploides são formadas (no final da meiose I).
  • 5.1.A.3 A Meiose II envolve as seguintes etapas:
    • i. Prófase II: O fuso meiótico forma-se; as cromátides-irmãs ligadas ao centrômero ligam-se ao fuso meiótico.
    • ii. Metafase II: Os cromossomos alinham-se ao longo da placa metafásica; o cinetocoro de cada cromátide está ligado a um microtúbulo que se estende dos polos.
    • iii. Anáfase II: Proteínas nos centrômeros degradam-se e as cromátides-irmãs são separadas e puxadas em direção aos polos opostos da célula.
    • iv. Telófase II: O fuso meiótico desmonta, uma nova envoltória nuclear desenvolve-se, forma-se um sulco de clivagem (célula animal) ou uma placa celular (célula vegetal), as cromátides começam a descondensar e a citocinese ocorre. Quatro células filhas haploides são formadas, cada uma com uma cromátide não duplicada.

Objetivo de Aprendizagem 5.1.B: Descrever semelhanças e diferenças entre as fases e resultados da mitose e da meiose.

  • 5.1.B.1 A mitose e a meiose são semelhantes no uso de um aparelho de fuso para mover cromossomos, mas diferem no número de células produzidas e no conteúdo genético das células filhas.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Um cariótipo humano: 22 pares de autossomos mais os cromossomos sexuais
Um cariótipo humano: 22 pares de autossomos mais os cromossomos sexuais

Meiose 减数分裂 produz gâmetas 配子 (óvulos e espermatozoides) com metade do número de cromossomos, para que a fecundação restabeleça o conjunto completo. Uma célula diploide divide-se duas vezes para dar quatro células haploides. A meiose I separa cromossomos homólogos 同源染色体 (reduzindo o número); a meiose II separa cromátides-irmãs (como a mitose).

A meiose reduz à metade o número de cromossomos em duas divisões
A meiose reduz à metade o número de cromossomos em duas divisões
Explorar

Divida os cromossomos de uma célula

Meiose reduz pela metade o número de cromossomos e embaralha genes, produzindo quatro gametas geneticamente variados. Passe para ver as divisões.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
Meiosis/meɪˈəʊsɪs/ 减数分裂 jiǎn shù fēn liè
gametes/ˈɡæmiːts/ 配子 pèi zi
homologous chromosomes/həˈmɒləɡəs ˈkrəʊməsəʊmz/ 同源染色体 tóng yuán rǎn sè tǐ
5.2

Meiose e Diversidade Genética

Programa

Compreensão Duradoura (GRANDE IDEIA 3 — Armazenamento e Transmissão de Informações): Sistemas vivos armazenam, recuperam, transmitem e respondem às informações essenciais aos processos vitais.

Objetivo de Aprendizagem 5.2.A: Explicar como o processo de meiose gera diversidade genética.

  • 5.2.A.1 A separação correta dos cromossomos homólogos na meiose I e das cromátides-irmãs na meiose II assegura que cada gameta receba um conjunto haploide (1n) de cromossomos que compreende um sorteio de ambos os cromossomos maternos e paternos. Quando ocorre uma separação incorreta (não-disjunção), os gametas deixam de ser haploides.
  • 5.2.A.2 Durante a prófase I da meiose, cromátides não-irmãs trocam material genético através de um processo chamado crossing over (recombinação), o que aumenta a diversidade genética entre os gametas resultantes.
  • 5.2.A.3 A reprodução sexuada em eucariotos aumenta a variação genética, incluindo crossing over, o sorteio aleatório de cromossomos durante a meiose e a subsequente fecundação dos gametas.
    • Declaração de exclusão: O conhecimento dos detalhes dos ciclos de reprodução sexuada em várias plantas e animais está além do escopo do Exame AP.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

A meiose embaralha genes de três maneiras, para que descendentes difiram dos pais e uns dos outros:

O assortment independente produz muitas combinações de gametas
A segregação independente produz muitas combinações de gâmetas
O crossing over troca segmentos entre cromossomos homólogos
A permuta troca segmentos entre cromossomos homólogos
  • Permuta 交叉互换: cromossomos homólogos trocam segmentos na meiose I.
  • Segregação independente 自由组合: cada par homólogo se alinha e separa aleatoriamente.
  • Fecundação aleatória: qualquer espermatozoide pode encontrar qualquer óvulo.

Juntos, esses criam enorme variação – a matéria-prima para a evolução.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
Crossing over/ˈkrɒsɪŋ ˈəʊvə/ 交叉互换 jiāo chā hù huàn
Independent assortment/ˌɪndɪˈpendənt əˈsɔːtmənt/ 自由组合 zì yóu zǔ hé
alleles/əˈliːlz/ 等位基因 děng wèi jī yīn
genotype/ˈdʒenətaɪp/ 基因型 jī yīn xíng
phenotype/ˈfenətaɪp/ 表型 biǎo xíng
5.3

Genética Mendeliana

Programa

Compreensão Duradoura (GRANDE IDEIA 1 — Evolução): O processo de evolução impulsiona a diversidade e a unidade da vida.

Compreensão Duradoura (GRANDE IDEIA 3 — Armazenamento e Transmissão de Informações): Sistemas vivos armazenam, recuperam, transmitem e respondem às informações essenciais aos processos vitais.

Objetivo de Aprendizagem 5.3.A: Explicar a herança de genes e traços conforme descrito pelas leis de Mendel.

  • 5.3.A.1 As leis de segregação e de distribuição independente de Mendel podem ser aplicadas a genes que estão em cromossomos diferentes.
  • 5.3.A.2 Na maioria dos casos, a fecundação envolve a fusão de dois gametas haploides, restaurando o número diploide de cromossomos e aumentando a variação genética nas populações ao criar novas combinações de alelos no zigoto.
    • i. As regras de probabilidade podem ser aplicadas para analisar a transmissão de traços monogênicos de pais para filhos.
    • ii. Cruzamentos monohíbridos, dihíbridos e testes podem ser usados para determinar se os alelos são dominantes ou recessivos.
    • iii. O genótipo de um organismo é o conjunto de alelos herdados para um ou mais genes por um organismo individual. O genótipo de um organismo pode ser homozigoto ou heterozigoto para cada gene.
    • iv. O fenótipo de um organismo é a expressão observável dos traços herdados.
    • v. Padrões de herança (autossômico, geneticamente ligado, ligado ao sexo) e se um alelo é dominante ou recessivo podem frequentemente ser previstos a partir de dados, incluindo pedigrees. Quadrados de Punnett podem ser usados para prever os genótipos e fenótipos de pais e descendentes.
    • Equação (Leis da Probabilidade): Se $A$ e $B$ são mutuamente exclusivos, então: $P(A \text{ or } B) = P(A) + P(B)$
    • Equação (Leis da Probabilidade): Se $A$ e $B$ são independentes, então: $P(A \text{ and } B) = P(A) \times P(B)$

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Variação natural na faixa de conchas de lesma — diferenças hereditárias sobre as quais a seleção pode atuar
Variação natural nas faixas da concha de caracol – diferenças hereditárias sobre as quais a seleção pode atuar

As versões alternativas de um gene são alelos 等位基因. O genótipo 基因型 (seus alelos) de um organismo produz seu fenótipo 表型 (suas características). As regras de Mendel: um alelo dominante 显性 mascara um recessivo 隐性; os dois alelos segregam em gâmetas diferentes (lei da segregação); genes para traços diferentes assortam-se independentemente. Um quadrado de Punnett 庞纳特方格 prediz proporções de descendentes (um cruzamento heterozigoto dá 3:1). Homozigoto 纯合 significa dois alelos idênticos; heterozigoto 杂合 significa dois diferentes.

Um quadrado de Punnett monohíbrido dando uma razão 3:1
Um quadrado de Punnett monohíbrido dando uma proporção 3:1

Exemplo resolvido. Para um cruzamento dihíbrido de dois genes independentes, $AaBb\times AaBb$, use a regra da multiplicação em vez de um quadrado de $16$ caixas. Cada gene sozinho dá $\tfrac34$ dominante, então a chance de um descendente mostrar ambos os traços dominantes é $\tfrac34\times\tfrac34=\tfrac{9}{16}$, e a chance do completamente recessivo $aabb$ é $\tfrac14\times\tfrac14=\tfrac{1}{16}$. Multiplicar duas independências $3{:}1$ proporções é o que produz o padrão clássico $9{:}3{:}3{:}1$.

Explorar

Cruze dois pais

Um quadrado de Punnett combina os alelos de cada pai para prever as proporções da prole. Defina os genótipos dos pais e leia as proporções esperadas.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
dominant/ˈdɒmɪnənt/ 显性 xiǎn xìng
recessive/rɪˈsesɪv/ 隐性 yǐn xìng
Punnett square/ˈpʌnɪt skweə/ 庞纳特方格 páng nà tè fāng gé
Homozygous/ˌhɒməˈzɪɡəs/ 纯合 chún hé
heterozygous/ˌhetrəˈzɪɡəs/ 杂合 zá hé
Incomplete dominance/ɪŋkəmˈpliːt ˈdɒmɪnəns/ 不完全显性 bù wán quán xiǎn xìng
Codominance/ˈkəʊdəmɪnəns/ 共显性 gòng xiǎn xìng
polygenic/ˌpɒlɪˈdʒenɪk/ 多基因 duō jī yīn
sex-linked/seks lɪŋkt/ 伴性 bàn xìng
5.4

Genética Não-Mendeliana

Programa

Compreensão Duradoura (GRANDE IDEIA 3 — Armazenamento e Transmissão de Informações): Sistemas vivos armazenam, recuperam, transmitem e respondem às informações essenciais aos processos vitais.

Objetivo de Aprendizagem 5.4.A: Explicar desvios do modelo de Mendel para a herança de traços.

  • 5.4.A.1 Os padrões de herança de muitos traços não seguem as proporções previstas pelas leis de Mendel e podem ser identificados por análise quantitativa, quando as proporções fenotípicas observadas diferem estatisticamente das proporções previstas.
    • i. Genes localizados no mesmo cromossomo são referidos como geneticamente ligados. A probabilidade de esses genes ligados segregarem juntos durante a meiose pode ser usada para calcular a distância mapeada (ou unidades de mapa) entre eles em um cromossomo. Este cálculo é chamado de mapeamento de genes ou mapeamento genético.
    • ii. Codominância ocorre quando o fenótipo de ambos os alelos é expresso, de modo que o heterozigoto teria um fenótipo diferente de qualquer homozigoto.
    • iii. Dominância incompleta ocorre quando nenhum alelo de um gene consegue mascarar o outro, de modo que o fenótipo do heterozigoto é uma versão mesclada dos fenótipos dominante e recessivo.
  • 5.4.A.2 Alguns traços, conhecidos como traços ligados ao sexo (ligados ao X ou Y), são determinados por genes em cromossomos sexuais. O padrão de herança de traços ligados ao sexo pode frequentemente ser previsto a partir de dados, incluindo pedigrees, indicando os genótipos e fenótipos tanto de pais quanto de descendentes.
    • Exemplos ilustrativos para EK 5.4.A.2:
      • Traços ligados ao sexo (ligados ao X ou Y) residem em cromossomos sexuais.
      • Traços ligados ao sexo (ligados ao X ou Y) são herdados em taxas mais altas em indivíduos XY do que em indivíduos XX.
      • Em certas espécies, a base cromossômica da determinação do sexo não se baseia em cromossomos X e Y (ex.: ZW em aves, haplodiploidia em abelhas).
  • 5.4.A.3 Pleiotropia é um fenômeno no qual a expressão de um único gene resulta em múltiplos traços ou efeitos; portanto, esses traços não segregam independentemente.
  • 5.4.A.4 Alguns traços resultam de herança não-nuclear.
    • i. Cloroplastos e mitocôndrias são distribuídos aleatoriamente para gametas e células filhas; assim, traços determinados por DNA de cloroplasto e mitocôndria não seguem as regras simples de Mendel.
    • ii. Em animais, as mitocôndrias geralmente são transmitidas pelo óvulo e não pelo espermatozoide; assim, traços determinados pelo DNA mitocondrial são tipicamente herdados maternamente.
    • iii. Em plantas, as mitocôndrias e cloroplastos são transmitidos no óvulo e não no pólen; dessa forma, traços determinados por mitocôndrias e cloroplastos são tipicamente herdados maternamente.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Muitos traços não seguem a dominância simples:

O ligamento ao sexo dá resultados diferentes para filhos e filhas
Ligação sexual dá resultados diferentes para filhos e filhas
  • Dominância incompleta 不完全显性: heterozigotos são uma mistura (vermelho × branco → rosa).
  • Codominância 共显性: ambos os alelos aparecem totalmente (tipo sanguíneo AB).
  • Múltiplos alelos, traços poligênicos 多基因 (muitos genes, como altura), pleiotropia (um gene, muitos efeitos) e genes ligados ao sexo 伴性 (no cromossomo X) todos dão proporções mais complexas.

Exemplo resolvido (teste qui-quadrado). Para verificar se dados reais se ajustam a uma proporção prevista, use $\chi^2=\sum\dfrac{(o-e)^2}{e}$. Um cruzamento monohíbrido prevê $3{:}1$, então de $80$ descendentes você espera $60$ dominante e $20$ recessivo, mas observa-se $55$ e $25$. Então $\chi^2=\dfrac{(55-60)^2}{60}+\dfrac{(25-20)^2}{20}=\dfrac{25}{60}+\dfrac{25}{20}=0.42+1.25=1.67$. Com $1$ grau de liberdade, o valor crítico em $p=0.05$ é $3.84$; como $1.67<3.84$, não rejeitamos a hipótese nula – a divergência está dentro do acaso.

5.5

Efeitos Ambientais no Fenótipo

Programa

Compreensão Duradoura (GRANDE IDEIA 4 — Interações de Sistemas): Sistemas biológicos interagem, e esses sistemas e suas interações exibem propriedades complexas.

Objetivo de Aprendizagem 5.5.A: Explicar como o mesmo genótipo pode resultar em múltiplos fenótipos sob diferentes condições ambientais.

  • 5.5.A.1 Condições ambientais influenciam a expressão gênica e podem levar à plasticidade fenotípica (ex.: a capacidade de genótipos individuais produzirem diferentes fenótipos).
    • Exemplos ilustrativos para EK 5.5.A.1:
      • Altura e peso em humanos
      • Cor da flor baseada no pH do solo
      • Cor sazonal do pêlo em animais árticos
      • Determinação do sexo em répteis
      • Efeito do aumento da radiação UV na produção de melanina em animais
      • Presença do tipo de acasalamento oposto na produção de feromônios em leveduras e outros fungos

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

O fenótipo não é definido apenas pelos genes – o ambiente também importa. Temperatura, nutrição e outros fatores podem mudar como os genes são expressos (a pelagem escura de um coelho do Himalaia onde está frio, a altura de uma planta com mais luz solar). Portanto, genótipos idênticos podem produzir fenótipos diferentes em condições distintas.

5.5

Dicas de prova

  • Contraste a mitose (2 idênticas, número completo de cromossomos) com a meiose (4 gâmetas não idênticos, metade do número).
  • Explique a variação resultante de crossing over, assortment independente e fecundação aleatória.
  • Use a regra da multiplicação para cruzamentos diídicos (multiplicando a $3{:}1$ de cada gene) e um teste de qui-quadrado ($\chi^2=\sum\frac{(o-e)^2}{e}$) para comparar proporções observadas vs. esperadas.
  • Mantenha o genótipo (os alelos) separado do fenótipo (o que se observa) — $AA$ e $Aa$ podem parecer iguais.
  • Identifique padrões não mendelianos: dominância incompleta, codominância e ligação ao sexo.

Aulas interativas sobre este tópico

Passe por ele passo a passo, com exercícios de verificação instantânea.

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