História da Biologia Molecular Prof. Dr. Francisco Prosdocimi franciscop@ucb.br

DE QUE TRATA A BIOMOL?

DE QUE TRATA A BIOMOL? A complexidade da vida 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 A evolução das idéias nos permite 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 François Jacob

EVOLUÇÃO DAS IDÉIAS Bottom-up 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 Prof. Dr. Francisco Prosdocimi franciscop@ucb.br http://biotec.icb.ufmg.br/chicopros

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 De Vries: publicou um trabalho sobre hibridização de plantas sem citar Mendel Refutação do darwinismo (enquanto gradualismo) Botânico holandês 1848-1935 De Vries 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 bio- químicas 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 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) Oswald Theodore Avery 1877 –1955

HERSHEY E CHASE Infecção por bacteriófagos Marcação radioativa de 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 Martha Cowles Chase 1927–2003 Alfred Day Hershey 1908–1997

HERSHEY E CHASE DNA – marcação com P-radioativo Proteína – marcação com S-radioativo HERSHEY E CHASE

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

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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 Pasteur 1822-1895

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 Fischer 1852 - 1919

James Batcheller Sumner 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 Sumner 1887-1955

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 Northrop 1891-1987

? POLÍMEROS DE AMINOÁCIDOS? 1902: Emil Fischer (Estrasburgo) e Hofmeister (Berlim), proteínas eram formadas de aminoácidos que, ligados por ligações peptídicas, formavam cadeias polipeptídicas ?

Frederick Sanger 13 August 1918 FINALMENTE, SANGER 1952 Publica a primeira estrutura primária de uma proteína: a Insulina, com 51 aminoácidos 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) Frederick Sanger 13 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] MALWMRLLPLLALLALWGPDPAAAFVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKTR REAEDLQVGQVELGGGPGAGSLQPLALEGSLQKRGIVEQCCTSICSLYQLENYCN

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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

Phoebus Aaron T Levene (1869–1940) 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)

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? 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) Segunda 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 Chargaff 1905–2002

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 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 Sabiam da proporção G=C, A=T “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 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