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© 2015 Dr. Walter F. de Azevedo Jr.
Astrobiologia
Objetivos
Visualizar a estrutura tridimensional de aminoácidos gerados no experimento de Miller-Urey e
ácidos nucleicos. Para a visualização usaremos recursos computacionais, como o programa VMD
(Visual Molecular Dynamics). Aplicar a equação de Drake para o cálculo de número de civilizações
extraterrestres com capacidade de se comunicar com outras.
Materiais
1. Computador iMac;
2. Programa VMD (Visual Molecular Dynamics) para visualização de moléculas biológicas;
3. Arquivos com coordenadas atômicas.
Introdução
O experimento de Miller-Urey é capaz de simular as condições da Terra pré-biótica. O
experimento gera diversas moléculas orgânicas, a partir da mistura de amônia, metano, hidrogênio e
vapor d’água. Entre os resultados interessantes do experimento, está a formação de aminoácidos,
como glicina e alanina. Usaremos recursos de visualização molecular para entendermos um pouco
mais sobre a estrutura tridimensional dos aminoácidos. Vamos considerar um dos aminoácidos
formado no experimento de Miller-Urey, a alanina.
Visualização do Aminoácido Alanina
Vimos na aula teórica, que os átomos encontrados em macromoléculas biológicas foram
forjados no núcleo de estrelas. Somos material estelar. Vimos, também, que é possível,
considerando-se a mistura de moléculas simples, como metano, amônia, vapor d´água e gás
hidrogênio, formarmos moléculas mais complexas, como os aminoácidos. Vamos olhar as estruturas
dos aminoácidos.
As moléculas são formadas por átomos e ao visualizarmos uma estrutura molecular estamos
na verdade representando graficamente átomos. Vamos considerar os átomos como pontos no
espaço tridimensional. Como alunos sentados nas carteiras numa sala de aula, cada átomo tem sua
posição. Representamos as posições por uma terna de números, chamadas de coordenadas
atômicas, x, y e z. Como os átomos apresentam distâncias entre eles da ordem de 10-10 m, temos que
adotar outra unidade de medida para a representação das coordenadas atômicas. Uma unidade
possível é o nanômetro (nm), que é 10-9 m. Esta unidade é comum de ser encontrada em textos de
biologia molecular, mas a mais comum é o Ångstrom (Å), 1 Å = 10-10m, ou alternativamente 1 Å = 0,1
nm. As informações estruturais sobre proteínas estão disponíveis numa base de dados chamada
Protein Data Bank (PDB), em www.rcsb.org/pdb. Na figura 1 temos as coordenadas de todos os
átomos da alanina.
Figura 1. Coordenadas atômicas e representação CPK (Corey, Pauling e Koltun) do aminoácido
alanina.
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Os programas de visualização gráfica de moléculas representam cada átomo do arquivo
(representado pelas coordenadas x, y e z) como um ponto na tela, que pode ser estilizado como uma
esfera, na representação CPK das figuras 1, 2 e 3. Para cada terna de coordenadas x, y e z, temos
uma esfera desenhada. Se os átomos apresentam ligação covalente entre eles, o programa desenha
um bastão unindo os dois átomos. Assim temos uma relação biunívoca, para cada átomo no arquivo
PDB temos um átomo na tela e vice-versa. A figura 2 abaixo mostra as coordenadas atômicas para
os átomos da alanina, exceto os hidrogênios.
Figura 2. Relação biunívoca entre as coordenadas atômicas e representação CPK do aminoácido
alanina. Não foram indicadas as coordenadas dos hidrogênios para simplificar a figura.
Vamos agora visualizar a alanina usando o VMD. Siga o procedimento abaixo.
Abra o programa VMD. Carregue as coordenadas atômicas do aminoácido ala.pdb, você pode
arrastar o arquivo ala.pdb para o menu VMD Main ou para a tela gráfica. Clique na tela gráfica (a tela
preta). Você terá o aminoácido na tela gráfica. As representações em linhas indicam ligações
covalentes para cada átomo presente. Azul para uma ligação covalente que sai de um átomo de
nitrogênio, vermelho para uma ligação covalente de um átomo de oxigênio, branco para uma ligação
covalente de um átomo de hidrogênio e ciano (azul esverdeado) para uma ligação covalente de um
átomo de carbono. Gire o aminoácido com o botão da esquerda do mouse. Para girar a molécula em
torno de um eixo perpendicular à tela, use a tecla da direita do mouse. A esfera central do mouse do
iMac é para o ajuste do tamanho da molécula mostrada na tela, o zoom.
Selecione a opção Graphics do VMD main e depois Representations. Em Drawing method selecione
CPK. CPK é o acrônimo para Corey, Pauling e Koltun, os sobrenomes dos cientistas (Robert Corey,
Linus Pauling e Walter Koltun) que propuseram tal sistema de representação de moléculas. Cada
átomo é uma esfera e as ligações covalentes são representadas por bastões.
Coloque o aminoácido na posição mostrada na figura 3.
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Figura 3. Representação CPK do aminoácido alanina.
Clique no número “1” do teclado, isto ativa a opção de identificador de átomos do programa
VMD. Coloque o cursor do mouse sobre o centro da esfera e clique com o botão da esquerda do
mouse. Teremos na tela os nomes dos átomos “CA” para carbono alfa, “N” para nitrogênio etc. Para
voltar à opção de girar a molécula clique em “R” do teclado. “R” de rodar, para facilitar a
memorização. Você pode mudar a posição da molécula na tela, com a opção de translação, clique
em “T” no teclado.
Os aminoácidos são moléculas que apresentam quiralidade, ou seja, admitem duas formas,
sendo uma a imagem espelhada da outra. Uma característica interessante sobre a quiralidade dos
aminoácidos, todos aminoácidos naturais são da forma L (levógiro), chamados aminoácidos L. A
distribuição dos átomos, em torno do carbono alfa nos aminoácidos L, segue uma regra mnemônica
simples, chamada regra do “CORN”, olhe o diagrama esquemático da representação do aminoácido L
(figura 4). Neste diagrama estamos olhando para o carbono alfa ao longo da ligação covalente, com o
átomo de hidrogênio. Nesta situação temos três ligações covalentes restantes, seguindo a regra do
CORN, o CO para a carboxila, o R para a cadeia lateral e o N para o grupo amino.
Figura 4. Regra do “CORN”.
Identifique se o aminoácido ala.pdb segue a regra do “CORN”, ou seja, se é um aminoácido
do tipo L ou um aminoácido do tipo D. Observe as posições das cadeias ligadas ao carbono alfa.
A hipótese mais provável para explicar a preferência por aminoácidos do tipo L, deve-se à
proporção majoritária desses aminoácidos nos meteoritos que bombardearam a Terra pré-biótica. Os
aminoácidos encontrados em meteoritos são majoritariamente do tipo L, isto indica que, um
bombardeio constante de aminoácidos do tipo L na Terra pré-biótica, puxou a estatística para o lado
dos aminoácidos do tipo L. Uma vez que o primeiro ser vivo formou-se, com proteínas constituídas
por aminoácidos do tipo L, não haveria pressão evolucionária para mudar.
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Sopa Primordial
Um estudo de 2008 (Johnson et al., 2008) revisitou o experimento de Miller-Urey e introduziu
gases normalmente encontrados em erupções vulcânicas. Tal experimento visou introduzir condições
esperadas para Terra pré-biótica, onde vulcanismo era intenso. A inserção de tais gases, propiciou a
formação de novos aminoácidos, que não foram gerados no experimento original. A figura 5 traz um
gráfico com a distribuição molar das moléculas produzidas.
Figura 5. Gráfico da razão molar produzida no experimento de Johnson e colaboradores 2008.As
setas vermelhas indicam os principais aminoácidos naturais gerados no experimento. As moléculas
sublinhadas foram achadas no experimento original de Miller-Urey.
A figura 6 mostra a distribuição molar dos 20 aminoácidos naturais encontrados no
experimento de Johnson e colaboradores. No gráfico foi considerado que o aminoácido com maior
ocorrência tem distribuição 1. Os outros são frações menores que 1. Veja praticamente só se vê a
participação da glicina (G) e alanina (A) no gráfico.
Figura 6. Gráfico de barras da razão molar dos aminoácidos naturais, encontrados no experimento de
Johnson e colaboradores 2008.
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Vamos considerar 16 “sopas primordiais” possíveis para produção de aminoácidos a partir de
reações químicas conseguidas no experimento Miller-Urey. Nessas sopas temos diferentes
distribuições de razões molares de aminoácidos. Faça o gráfico de barras de cada uma das sopas e
identifique aquele mais próximo ao proposto por Johnson e colaboradores em 2008. Use o gráfico de
barras da figura 6 como base de comparação.
Para gerar os gráficos de barras usaremos os arquivos com as sequências de aminoácidos
para cada sopa. Esses arquivos usam o formato FASTA, ou seja, sua extensão é .fasta. Temos um
total de 16 sequências, assim serão gerados 16 gráficos. Usaremos um programa escrito na
linguagem de programação Python para gerar os gráficos. Digite:
python3 plot_fasta.py
Depois digite o nome de cada arquivo com as sequências de aminoácidos, não esqueça a extensão
.fasta. Por exemplo, soup01.fasta.
Você terá um total de 16 gráficos, abra o Finder e localize a pasta da aula de hoje
(Disciplinas/BioFis2015/Aulas_Experimentais/Pratica2/. Depoist você encontrará uma pasta com um
número. Clique nesta pasta. Clique com o mouse sobre as figuras geradas, que o gráfico será aberto
com o visualizador de imagens do Mac OS X. Analise e identifique aquele mais próximo do gráfico
mostrado na figura 6.
Indique o número da pasta usada na análise:___
Indique o número do arquivo da sopa primordial:___
Nucleotídeos
Ácidos nucleicos (DNA e RNA) são polímeros de nucleotídeos, ou seja, uma sequência de
nucleotídeos ligados covalentemente. A estrutura tridimensional do DNA foi determinada em 1953 por
Watson e Crick, a partir do uso de técnicas de cristalografia por difração de raios X (Watson & Crick,
1953). A análise da estrutura do DNA revelou seu padrão de hélice dupla.
Os constituintes básicos do RNA são ribonucleotídeos e os do DNA são 2’desoxirribonucleotídeos. Todos os nucleotídeos são formados por uma base heterocíclica
nitrogenada, um açúcar pentose e resíduos de fosfato. A figura 7 a seguir ilustra a estrutura da
adenosina monofosfato (AMP).
Figura 7. Estrutura de um nucleotídeo.
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Carregue as coordenadas atômicas do arquivo amp.pdb e coloque na representação CPK.
Identifique a base nitrogenada, o açúcar e o fosfato na estrutura.
A união dos nucleosídeos através de grupos fosfato monta o esqueleto da molécula de DNA,
que conecta o grupo 5’-hidroxila de uma unidade ao grupo 3’-hidroxila da unidade seguinte, como
mostrado na figura 8. A estrutura primária é a sequência de nucleosídeos.
Figura 8. Ligação entre 2 nucleotídeos na molécula de DNA.
Ao elucidarem a estrutura secundária do DNA, Watson e Crick propuseram o arranjo de hélice
dupla para a molécula de DNA, onde podemos ver as cavidades maior e menor, indicadas a seguir na
figura 9.
Figura 9. Estrutura secundária da molécula de DNA.
Carregue as coordenadas atômicas do DNA (arquivo dna.pdb). Selecione a opção Graphics
do VMD main e depois Representations. Em Drawing method selecione New Cartoon. Você terá a
visualização mostrada na figura acima. Identifique as cavidades do DNA.
Na figura 10 temos dois pares de bases, C-G e A-T, respectivamente. Nelas vemos claramente as
ligações de hidrogênio que estabilizam os pares de bases. As ligações de hidrogênio são indicadas
por linhas pontilhadas. O grupo Citosina-Guanina apresenta três ligações de hidrogênio, já o grupo
Adenina-Timina apresenta duas ligações. Na figura abaixo identifique os átomos doadores e
aceitadores de hidrogênio em cada par.
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Figura 10. Pares de bases.
Na estrutura do DNA mostrada na tela identifique pelo menos dois pares de bases. Use a
opção “2” do teclado para ativar a régua de distâncias interatômicas e veja as distâncias entre os
pares de bases. Ao clicar em um par de átomos o VMD mostrará a distância interatômica em Å. A
menor distância numa ligação de hidrogênio é 2,5 Å e a maior 3,4 Å.
No experimento de Miller-Urey não há formação de nucleosídeos, nucleotídeos ou mesmo
bases nitrogenadas. Uma possível explicação para a origem dessas moléculas, é que vieram de
meteoritos, que atingiram a Terra e trouxeram as bases nitrogenadas.
Mundo de RNA
Na Terra pré-biótica há cenários plausíveis para formação dos tijolos básicos da vida
(aminoácidos) e o bombardeio de bases nitrogenadas que podem formar nucleotídeos e
polimerizarem em ácidos nucleicos. Contudo, ainda temos que colocar os ingredientes desta “sopa
primordial” e tirar o primeiro ser vivo. Uma das hipóteses é que a Terra pré-celular foi baseada no
RNA. O RNA é uma molécula capaz de armazenar informação genética, como o DNA, e catalisar
reações químicas como proteínas. Assim, na hipótese do Mundo de RNA, as primeiras formas de
vida eram baseadas em RNA.
No diagrama esquemático mostrado na figura 11 temos a
evolução da vida na Terra. Dos primórdios do mundo prébiótico (parte inferior do diagrama) até os dias de hoje
(parte superior do diagrama). Os tijolos básicos da vida
estavam disponíveis há aproximadamente 3,5 bilhões de
anos atrás, e a disponibilidade de moléculas como os
nucleotídeos formam o cenário ideal para o surgimento do
mundo de RNA. Os organismos desse mundo já eram
sujeitos às regras de seleção natural e apresentavam
evolução Darwiniana. Os organismos desse mundo
evoluíram para a fase seguinte, com maior complexidade
molecular, onde os organismos apresentavam DNA, RNA
e proteínas. No final temos a separação nos diferentes
domínios da vida.
Carregue as coordenadas do arquivo rna.pdb no
programa VMD. Visualize a estrutura na opção CPK.
Identifique um par de bases da estrutura.
Figura 11. Evolução molecular da vida.
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Equação de Drake
A equação de Drake faz uma estimativa do número de civilizações extraterrestres que apresentam
capacidade de comunicação com outras civilizações. Alguns críticos da equação a chamam de
ingênua, mas boa parte da comunidade científica vê mérito na equação como uma referência para
modelos mais precisos. Usaremos a equação de Drake para calcular o número de civilizações com
capacidade de se comunicar. A equação é dada a seguir.
N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L
Onde:
R* = taxa média de formação de estrelas por ano;
fp = fração das estrelas com planetas;
ne = número médio de planetas que pode abrigar vida por estrela que tem planetas;
fl = fração dos planetas acima que desenvolverão vida em algum momento;
fi = fração dos planetas acima que desenvolverão vida inteligente;
fc = fração desses planetas que serão capazes de se comunicar;
L = número de anos que eles emitirão sinais.
Calcule o número de civilizações com capacidade de se comunicar com a Terra (N), aplique a
equação de Drake. Use os seguintes valores indicados abaixo.
Cenário
R*
fp
ne
fl
fi
fc
L
N
1
7
1
0,2
0,13
1
1
109
2
10
1
10
1
1
1
20000
3
7
0,1
1,025
0,5
0,01
0,1
10000
4
5
0,5
2
1
0,2
1
10000
5
10
0,4
3
1
0,5
0,15
1000
Qual cenário apresenta maior número de civilizações?___________
Fontes das informações para os diferentes cenários:
a) Site da Wolfram research com o programa para calcular a equação de Drake.
b) Site do spacegeek.org (http://spacegeek.org/canvas2/).
c) Site
do
sistema
de
televisão
pública
dos
Estados
Unidos
http://www.pbs.org/wgbh/nova/space/drake-equation.html ..
d) Beyond the Drake equation: http://frombob.to/drake.html .
(PBS):
Referências
ALBERTS, B. et al. Biologia Molecular da Célula. 4a edição. Artmed editora, Porto Alegre, 2004 (Capítulo 3).
JOHNSON, A.P. , CLEAVES, H.J. , DWORKIN, J.P., GLAVIN, D.P., LAZCANO, A., BADA, J.L. The Miller Volcanic spark discharge
experiment. Science, 2008, 322, 404.
LESK, A. M. Introduction to Protein Architecture. Oxford University Press, New York, 2001.
WATSON JD, CRICK FH. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 1953;171(4356):737-8.
http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/
http://www.fi.muni.cz/usr/mejzlik/mirrors/www.nyu.edu/pages/mathmol/software.html
http://www.rcsb.org/pdb/
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