história da biologia molecular prof. dr. francisco prosdocimi [email protected]
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DE QUE TRATA A BIOMOL?
DE QUE TRATA A BIOMOL?
Genética + Bioquímica Transmissão de caracteres
Hereditariedade Química de proteínas
Metabolismo e homeostase Funcionamento da vida em nível molecular
Reducionismo
A complexidade da vida
EVOLUÇÃO DAS IDÉIAS
Como um campo multidisciplinar, como a evolução das idéias culminou na biologia molecular moderna?
A evolução das idéias nos permite entender de onde veio esse conhecimento Compreender como ele se estruturou Questionar sua veracidade, identificar pontos falhos Pensar melhor para onde ele vai Integração do pensamento biológico num
todo coerente e harmônico
Ernst Mayr
FrançoisJacob
EVOLUÇÃO DAS IDÉIAS
Top-down Da maior complexidade para a menor Deconstrução Genética / Bioquímica
Bottom-up Da menor complexidade para a maior Construção A estrutura dos ácidos nucléicos
HERANÇA POR MISTURA
Da Grécia até Darwin Herança acontecia por mistura
Lamarck: transmissão dos caracteres adquiridos
A HEREDITARIEDADE
Herança particulada Monge austríaco
Foi contemporâneo de Darwin, masjamais se encontraram...
Publicou “Experimentos sobrea hibridização de plantas” em 1865 e foi citado apenas 3 vezes nos 35 anos que se seguiram!
Morreu sem ser reconhecido, estavamuito à frente de seuscontemporâneos
Gregor Mendel (1822-1884)
DESCOBERTAS DE MENDEL
As características hereditárias são condicionadas por pares de “fatores” hereditários.
Plantas puras são portadoras de apenasum tipo de fator (homozigoto), enquanto plantas híbridas são portadoras de dois tipos (heterozigoto).
Cada gameta é portador de apenas um fator para cada característica
LEIS DE MENDEL
Os dois alelos de cada gene presente em um indivíduo segregam-se (separam-se) na formação dos gametas
Os alelos de dois ou mais genes de um indivíduo segregam-se independentemente, combinando-se ao acaso nos gametas
LEIS DE MENDEL
Os dois alelos de cada gene presente em um indivíduo segregam-se (separam-se) na formação dos gametas
Os alelos de dois ou mais genes de um indivíduo segregam-se independentemente, combinando-se ao acaso nos gametas.
RE-DESCOBERTA DE MENDEL
1900 - Carl Correns and Hugo de Vries
Correns: publicou um trabalho em 1900 sobre hibridização citando Mendel e Darwin
De Vries: publicou um trabalho sobre hibridização de plantas sem citar Mendel
Refutação do darwinismo (enquanto gradualismo)
Botânico holandês 1848-1935
De Vries
Botânico alemão1864-1933
Correns
SUTTON-BOVERI
Sutton (1902-3) mostrou, através de estudos em células germinativas de gafanhotos, que os cromossomos eram responsáveis pela base física da herança mendeliana
Cromossomos em pares segregam-se na meiose
Walter Sutton1877 - 1916
Teoria cromossômica daherança
Genética de drosófila
Explicava a modificaçãodas características empopulações ao longo dotempo
Integrou, finalmente, Mendel e Darwin
THOMAS H MORGAN
Garrot (1902) Alcaptonúria: urina escura Incapacidade de degradar a alcaptona Erros no metabolismo seguiam padrões mendelianos
1941: Isolamento de mutantes para cor do olho em drosófila e para auxotrofia em Neurospora Vários mutantes diferentes que se complementavam Vias metabólicas
Genética fisiológica Estudar as bases fisiológicas e bio-
químicas das características herdáveis Um gene-uma enzima
BEADLE E TATUM
Resposta de 1940: só pode ser de proteína Polímero complexo, realiza funções
catalíticas (ou seja, funciona como enzima)
Provavelmente desempenha as principais funções celulares, atuando como máquina molecular
E os ácidos nucléicos? Não podem ser, são moléculas muito
simples e presentes em quantidades muito pequenas dentro da célula
DOGMA: ninguém questiona a afirmativa, era difícil mesmo encontrar alguém que trabalhasse com ácidos nucléicos à época
Procura-se explicar a hereditariedade a partir de proteínas
MAS DE QUE É FEITO O GENE?
Descrição moderna da célula, à época mal sabiam o que tinha lá
AVERY, MACLEOD, MCCARTY
AVERY, MACLEOD, MCCARTY
Oswald Theodore Avery 1877 –1955
Griffiths (1928) Princípio transformante era passado da
cepa virulenta (morta) para a não-virulenta,matando os camundongos
1944: os três pesquisadores mostraram que seu princípio transformante continha composições químicas tais quais a do DNA
Ceticismo: Alfred Mirsky disse que o DNA de AMM deveria estar contaminado com proteínas... Poucos biólogos à época achavam que a genética podia ser
aplicada às bactérias, posto que elas reproduziam assexuadamente e não tinham cromossomos
Lederberg e Tatum, entretanto,publicaram um artigo sobre a conjugação bacteriana (1946)
HERSHEY E CHASE
Infecção por bacteriófagos Marcação radioativa de
DNA e proteínas do bacteriófago T2 (1952)
Enquanto a fração protéica ficava nosobrenadante, a fração de ácidos nucléicospodia ser vista posteriormente dentro da bactéria
Confirmação final de que era através do DNA que as informações sobrehereditariedade eram passadas
Alfred Day Hershey 1908–1997
Martha Cowles Chase 1927–2003
HERSHEY E CHASE
DNA – marcação com P-radioativo
Proteína – marcação com S-radioativo
CONCLUSÃO: GENÉTICA
A herança biológica está codificada em pares de fatores Genes em organismos diplóides
Tais fatores estão nos cromossomos e são feitos de DNA
A hereditariedade agora podia ser explicada pela transmissão de moléculas
Morte do Vitalismo e integração da biologia à metodologia rígida de trabalho das ciências exatas
O caminho da química de proteínas
• Prof. Dr. Francisco [email protected]://biotec.icb.ufmg.br/chicopros
LOUIS PASTEUR
1835: Berzelius, conceito de catálise 1885: fermentação do acúcar por
lêvedos, gerando álcool Vitalismo: o mágico élan vital
1896: Edward Buchner consegue fermentar o açúcar num extrato de lêvedo sem vida!
Fermentos, portanto, catalisavam reações químicas (açúcar a álcool) – biocatalisadores
Enzima vem do grego εν ζυμη, cuja tradução é “no lêvedo”
Louis Pasteur1822-1895
EMIL FISCHER
Sacarase Quebra da sacarose em glicose
e frutose
Produziu diversos análogos de sacarose para testar se a enzima funcionava
Determinadas mutações tornavam os análogos resistentes à sacarase
Modelo de ação enzimática chave-e-fechadura
Hermann Emil Fischer1852 - 1919
ENZIMAS SÃO PROTEÍNAS?
Qual a natureza das enzimas? O químico orgânico alemão Richard
Willstätter (1872–1942) – ganhador do Nobel pela estrutura da clorofila – conseguiu separar o componente enzimático de um preparado biológico e não encontrou nenhuma proteína!
1926 (EUA) – J Summer cristaliza a urease e conclui: enzimas são proteínas! Willstater criticou os resultados…
James Batcheller Sumner1887-1955
SIM! MAS COMO FUNCIONAM?
Kunitz e Northrop Eletroforese e centrifugação: enzimas
estão na fração protéica! Mesmo em quantidades proteícas
indetectáveis pelos métodos, as enzimas continuavam tendo atividades
Como as milhares de reações catalíticas eram possíveis a uma proteína?
John Howard Northrop1891-1987
1902: Emil Fischer (Estrasburgo) e Hofmeister (Berlim), proteínas eram formadas de aminoácidos que, ligados por ligações peptídicas, formavam cadeias polipeptídicas
POLÍMEROS DE AMINOÁCIDOS?
?
FINALMENTE, SANGER
1952 Publica a primeira estrutura primária
de uma proteína: a Insulina, com 51aminoácidos
O trabalho mostrava também que a estrutura das proteínas poderia serdescrita pela sua sequência de aminoácidos, do N ao C terminal
A sequência, entretanto, não ajudava a prever a função da proteína (antes da bioinformática)
Frederick Sanger13 August 1918
CONCLUSÃO: BIOQUÍMICA
As enzimas realizam reações catalíticas e transformam moléculas umas nas outras
Os organismos biológicos são ricos em enzimas e as enzimas funcionam também fora dos organismos biológicos → biotecnologia!
As enzimas são proteínas formadas por polímeros de aminoácidos
A multiplicidade de função se dá pela interação tridimensional formada (modelo chave-fechadura) por interações não-covalentes a partir de uma série de aminoácidos ligados covalentemente (ligação peptídica)
>gi|386828|gb|AAA59172.1| insulin [Homo sapiens] MALWMRLLPLLALLALWGPDPAAAFVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKTRREAEDLQVGQVELGGGPGAGSLQPLALEGSLQKRGIVEQCCTSICSLYQLENYCN
O caminho da estrutura dos ácidos nucléicos
• Prof. Dr. Francisco [email protected]://www.chicopros.com
ISOLAMENTO DO DNA
Johannes Miescher1844-1895
Físico e biólogo Suiço
1869: Isolamento de compostos ricos em fosfato de amostras de pus de bandagens médicas
Chamou o composto de nucleína,uma vez que ele se encontrava nonúcleo das células
COMPONENTES DO DNA
Médico russo, muda para os EUA em 1893
Estudou estrutura dos ácidos nucléicos no instituto Rockfeller (NY)
Descobriu a ribose em 1909 e a desoxiribose em 1929
Sugeriu a estrutura dos nucleotídeos, como fosfato-acúcar-base
Ele acreditava que cada molécula tinha quatro nucleotídeos
Phoebus Aaron T Levene (1869–1940)
Diagrama molecular de um tetranucleotídeo hipotético, proposto incorretamente por Phoebus Levene por volta de 1910
DNA era feito de quantidades iguais de A, G, C e T
Phoebus: Não poderia carregar a informação genética pq é muito simples!
Genes seriam feitos de proteínas?
GENES SÃO FEITOS DE PROTEÍNAS?
Papa da estrutura do DNA (Levene) diz que a molécula era muito simples para ser responsável por carregar a informação genética
DOGMA: ninguém questiona a afirmativa Procura-se explicar a hereditariedade a partir
de proteínas 1944: Avery, MacLeod e McCarty reinterpretam
o trabalho de Griffiths: DNA é o princípio transformante
Erwin Chargaff lê o trabalho e decide trabalhar com DNA
REGRAS DE CHARGAFF
Primeira regra (~1950) Verificou que, na verdade, a quantidade
G era igual à de C; e a quantidade de A, igual à de T.
No DNA humano, as porcentagens eram:A=30.9% T=29.4% G=19.9% C=19.8%
Segunda regra (~1950) A composição de bases do DNA varia de espécie para
espécie com relação à porcentagem de A, C, G e T Esta diversidade molecular (antes desconhecida) fazia
com que o DNA fosse um candidato mais plausível para carregar a informação genética (do que as proteínas)
Erwin Chargaff1905–2002
LINUS CARL PAULING
Ganhador de dois prêmios Nobel Química: hibridização de orbitais 1s22s22p6
Paz: 1962, contra testes nucleares 1951: publicação da estrutura das
alfas-hélices 1953, Nature
Publicação da estrutura do DNA comouma hélice tripla, contendo as bases voltadas para fora
Culpou as imagens, que eram melhores na Inglaterra
1901–1994
ROSALIND FRANKLIN
Rosalind Franklin1920 –1958
Biofísica inglesa
Francis Crick: “o dado que nós realmente usamos”
Se ela teve o dado nas mãos primeiro, por que não publicou um modelo com a estrutura?
Modelo = estrutura helicoidal (??)
WATSON & CRICK
Prelúdio: 1952 “Desde o dia de nosso primeiro
encontro, Crick e eu pensamosque seria altamente provávelque a informação genética do DNAfosse codificada pela sequência de quatro bases”
Sabiam da proporção G=C, A=T O físico-químico Jerry Donohue conta a Watson que
a estrutura publicada para a Guanina era apenas possível, mas que uma estrutura cetônica também era bastante provável
WATSON & CRICK
“No momento que vimos como construir uma dupla hélice a partir das quatro bases, estava claro que as particularidades de um gene deveriam residir na sua sequência de pares de bases”
O que ficou claro com o modelo: Replicação, transcrição, codificação da informação hereditária,
CONCLUSÃO ESTRUTURA
O DNA é a molécula transmissora da hereditariedade O DNA contém a informação genética para fazer novos
organismos Como ele faz isso? Codificando enzimas e proteínas estruturais que farão os
organismos → transcrição e tradução
CONCLUSÃO GERAL
A biologia molecular revolucionou o estudo da biologia pois permitiu verificar que o código de transmissão da hereditariedade é digital
O rigor das ciências exatas pôde então ser aplicado aos estudos do mundo natural
O vitalismo morre e passa-se a ser possível explicar a biologia através da física e da química
A revolução alcançou todas as áreas de biologia e desafia-se o aluno a sugerir algum trabalho em biologia que não possa ser melhor desenvolvido com a ajuda da biomol
Depois da década de 70 começou-se a poder manipular os organismos vivos → transgênese