Apresentação do PowerPoint - Instituto de Bioquímica Médica UFRJ

História da Biologia
Molecular
• Prof. Dr. Francisco Prosdocimi
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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?
Ernst Mayr
 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
François
Jacob
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
O caminho
da genética
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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, mas
jamais se encontraram...
 Publicou “Experimentos sobre
a hibridização de plantas”
em 1865 e foi citado apenas 3
vezes nos 35 anos que
se seguiram!
 Morreu sem ser
reconhecido, estava
muito à frente de seus
contemporâneos
Gregor Mendel (1822-1884)
DESCOBERTAS DE MENDEL
 As características hereditárias são
condicionadas por pares de “fatores”
hereditários.
 Plantas puras são portadoras de apenas
um 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
Botânico holandês
1848-1935
De Vries
 De Vries: publicou um trabalho
sobre hibridização de plantas
sem citar Mendel
 Refutação do darwinismo
(enquanto gradualismo)
Botânico alemão
1864-1933
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 Sutton
1877 - 1916
THOMAS H MORGAN
 Teoria cromossômica da
herança
 Genética de drosófila
 Explicava a modificação
das características em
populações ao longo do
tempo
 Integrou, finalmente,
Mendel e Darwin
BEADLE E TATUM
 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 bioquímicas das características herdáveis
 Um gene-uma enzima
MAS DE QUE É FEITO O GENE?






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
Descrição moderna da célula, à
época mal sabiam o que tinha lá
AVERY, MACLEOD, MCCARTY
AVERY, MACLEOD, MCCARTY
 Griffiths (1928)
 Princípio transformante era passado da
Oswald Theodore Avery
cepa virulenta (morta) para a não-virulenta,
1877 –1955
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
Martha Cowles Chase
Alfred Day Hershey
1927–2003
1908–1997
DNA e proteínas do
bacteriófago T2 (1952)
 Enquanto a fração protéica ficava no
sobrenadante, a fração de ácidos nucléicos
podia ser vista posteriormente dentro da
bactéria
 Confirmação final de que era através
do DNA que as informações sobre
hereditariedade eram passadas
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
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LOUIS PASTEUR
 1835: Berzelius, conceito de catálise
 1885: fermentação do acúcar por
lêvedos, gerando álcool
 Vitalismo: o mágico élan vital
Louis Pasteur
1822-1895
 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”
EMIL FISCHER
 Sacarase
 Quebra da sacarose em glicose
e frutose
Hermann Emil Fischer
1852 - 1919
 Produziu diversos análogos de sacarose
para testar se a enzima funcionava
 Determinadas mutações tornavam os
análogos resistentes à sacarase
 Modelo de ação enzimática chave-efechadura
ENZIMAS SÃO PROTEÍNAS?
 Qual a natureza das enzimas?
James Batcheller Sumner
 O químico orgânico alemão Richard
1887-1955
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…
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
John Howard Northrop
1891-1987
 Como as milhares de reações catalíticas
eram possíveis a uma proteína?
POLÍMEROS DE AMINOÁCIDOS?
 1902: Emil Fischer (Estrasburgo) e Hofmeister
(Berlim), proteínas eram formadas de
aminoácidos que, ligados por ligações
peptídicas, formavam cadeias polipeptídicas
?
FINALMENTE, SANGER
 1952
 Publica a primeira estrutura primária
de uma proteína: a Insulina, com 51
aminoácidos
Frederick Sanger
13 August 1918
 O trabalho mostrava também que a
estrutura das proteínas poderia ser
descrita pela sua sequência de aminoácidos, do N ao C
terminal
 A sequência, entretanto, não ajudava a prever a
função da proteína (antes da bioinformática)
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]
MALWMRLLPLLALLALWGPDPAAAFVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKTR
REAEDLQVGQVELGGGPGAGSLQPLALEGSLQKRGIVEQCCTSICSLYQLENYCN
O caminho da estrutura
dos ácidos nucléicos
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ISOLAMENTO DO DNA
 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 no
núcleo das células
Johannes Miescher
1844-1895
Físico e biólogo Suiço
COMPONENTES DO DNA
 Médico russo, muda para os EUA
em 1893
 Estudou estrutura dos ácidos
Phoebus Aaron T Levene
(1869–1940)
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
 DNA era feito
de quantidades
iguais de A, G,
CeT
 Phoebus: Não
poderia
carregar a
informação
genética pq é
muito simples!
 Genes seriam
feitos de
proteínas?
Diagrama molecular de um tetranucleotídeo
hipotético, proposto incorretamente por Phoebus
Levene por volta de 1910
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%
Erwin Chargaff
1905–2002
 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)
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 como
uma hélice tripla, contendo as bases
voltadas para fora
 Culpou as imagens, que eram
melhores na Inglaterra
1901–1994
ROSALIND FRANKLIN
 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 (??)
Rosalind Franklin
1920 –1958
WATSON & CRICK
 Prelúdio: 1952
 “Desde o dia de nosso primeiro
encontro, Crick e eu pensamos
que seria altamente provável
que a informação genética do DNA
fosse 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 desafiase 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