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Biofísica Molecular
Astrobiologia Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr. E-mail: [email protected] Facebook: https://www.facebook.com/Prof.Walter
Laboratório do Prof. Walter: Bloco12 C/204
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© 2
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Jr.
Imagem disponível em:< http://www.alee.montana.edu/> Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
V i d a : S i s t e m a s c a p a z e s d e autorepl icação e que apresentam evolução darwiniana. Astrobiologia: Ciência que estuda a possibilidade de vida em outros planetas. Usa conhecimentos da física, química e biologia, com forte embasamento molecular para o estudo do surgimento da vida.
Visão artística da presença de fulereno encontrado em nebulosas . D i s p o n í v e l e m : < http://io9.com/5677619/giant-carbon-buckyballs-might-have-helped-bring-about-life-on-earth > Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Definições
A teoria do Big Bang estabelece que o Universo surgiu há aproximadamente 13,5 bilhões de anos atrás. Esse evento produziu uma nuvem de hidrogênio e hélio, os elementos químicos mais simples da tabela periódica. Os elementos químicos H e He são formados por 1 e 2 prótons (números atômicos (Z) 1 e 2), respectivamente. Essa nuvem de gás expandiu-se. A figura ao lado mostra uma representação esquemática dos átomos de hidrogênio e hélio. No núcleo temos prótons e orbitando em volta elétrons. A teoria do Big Bang baseia-se em observações astronômicas, que indicam que as galáxias estão se afastando, como fragmentos de uma grande explosão.
Hidrogênio
Hélio
Elétron Próton
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Origem dos Átomos
Na expansão da nuvem de gás (H e He), apareceram regiões onde a concentração gasosa era maior que em outras regiões, essas irregularidades propiciaram a concentração de matéria, que atraiu mais matéria, devido à ação da força da gravidade. A concentração de gases levou ao surgimento das estrelas de primeira geração. A nebulosa Águia M16 apresenta um berçário de estrelas, que são formadas de hidrogênio molecular (H2) e poeira. As estrelas concentram-se nas protuberâncias indicadas por setas na figura ao lado. Cada protuberância é maior que nosso sistema solar.
Nebulosa M16 fotografada pelo telescópio espacial Hubble. A M16. Disponível em: http://hubblesite.org/gallery/album/entire/pr1995044b/ >. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Origem dos Átomos
No processo de formação das estrelas a gravidade foi a força responsável pelo aumento gradativo da massa estelar. O crescimento da massa das estrelas propiciou que mais massa fosse atraída. A equação abaixo ilustra tal ideia, quanto maior a massa da estrela em formação (M), maior será a força de atração gravitacional (Fg). A força também depende da distância entre as massas (r) e de uma constante (G), que é chamada de constante da gravitação (G).
r
M
m
2grMmGF =
Onde G = 6,6726.10-11 N.m2/kg2 Fonte da informação sobre as constantes físicas: <http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html>. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Origem dos Átomos
Essa equação é extremamente simples, nela temos dois corpos de massas M e m, quanto mais próximos estiverem maior será a força de atração gravitacional (indicada pelo vetor vermelho). Vemos, também, que quanto maiores as massas ma io r a f o rça (Fg) . Resumindo , aumentando a massa, aumentamos a fo rça e aumentando a d is tânc ia diminuímos a força, essa equação simples e intuitiva vale tanto para galáxias como para um padawan na aula.
2grMmGF =
Fg
Onde G = 6,6726.10-11 N.m2/kg2
6 Fonte da informação sobre as constantes físicas: <http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html>. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
Origem dos Átomos
r
M
m
Numa noite privilegiada e sem nuvens podemos ver diversas estrelas. As estrelas que vemos à noite estão a distância que necessitam uma unidade específica para representá-la, o ano-luz, que é a distância que a luz viaja em um ano. A estrela mais próxima do nosso sistema solar é a próxima do Centauro, que fica a aproximadamente 4 anos-luz da Terra. Muitas das estrelas que vemos no céu podem nem existir mais, contudo, devido à sua distância, continuamos a receber sua luz. Assim, uma questão que podemos nos colocar, como as estrelas brilham? Tal pergunta pode parecer fora de interesse para o estudo da biologia, mas perguntem-se. Existiria vida na Terra sem a luz da estrela Sol?
Noite estrelada vista em Foz do Iguaçu-Brasil. Disponível em: http://apod.nasa.gov/apod/ap100514.html >. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Origem dos Átomos
Para entendermos o brilho das estrelas, inclusive do nosso Sol, nós temos que analisar o que acontece quando nuvens de gás H e He aglomeram-se e começam a formar corpos cada vez mais massivos. O aumento da massa desses corpos leva ao aumento da pressão e da temperatura, o que possibilita a reação de fusão nuclear. Tal reação ocorre quando 4 átomos de hidrogênio se fundem, o que gera um átomo de hélio. Esse processo libera neutrino (partícula com massa menor que os prótons e nêutrons) e grandes quantidades de energia. A estrela brilha! Na verdade esse processo é o que ocorre em todas estrelas com massa próxima do Sol, inclusive o nosso Sol. Estrelas mais massivas usam um processo chamado ciclo CNO, para a produção de energia.
4 H → 1 He + neutrino + energia p + p + p + p → (2p+2n) + neutrino + energia
Energia
Neutrino
Nêutron Próton
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Origem dos Átomos
As estrelas têm um ciclo de vida, onde em cada fase do ciclo temos diferentes perfis de reações nucleares. Estrelas mais velhas apresentam temperaturas de 100 milhões de graus Celsius no seu núcleo, temperatura necessária para a reação de formação de carbono. Quando dizemos que uma estrela é velha, indicamos que já converteram boa parte de seu H em He. A figura ao lado mostra a representação do carbono encontrada nas tabelas periódicas, com Z = 6 e A = 12 (número de prótons + número de nêutrons), na figura mais à direita temos uma representação do núcleo de carbono com 6 prótons e 6 nêutrons.
C 12 6
Número de massa atômica (A)
Número atômico (Z)
Nêutron Próton
Núcleo de carbono
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Origem dos Átomos
Como o carbono apresenta 6 prótons (Z = 6), então podemos pensar que um núcleo de carbono é equivalente a 3 núcleos de hélio. A reação de fusão do He do núcleo estrelar leva à formação de C, num processo chamado de triplo-alfa, com a participação de 3 partículas alfa (núcleos de He). O diagrama esquemático ao lado ilustra o processo de formação de carbono no núcleo das estre las. Inicialmente dois núcleos de He fundem-se, o que gera um núcleo de berílio, que por sua vez funde-se com outro núcleo de hélio e forma carbono. No final do ciclo de queima de H a estrela colapsa, o que eleva a temperatura o suficiente para iniciar o ciclo de queima do He. O processo triplo alfa envolve liberação de radiação gama (γ).
γ γ
4He
4He
4He 8Be
12C Nêutron Próton
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Origem dos Átomos
Um átomo de 12C pode fundir-se com uma partícula alfa (núcleo de He) formando um átomo de oxigênio, como mostrado no diagrama ao lado. O número “12” acima à esquerda indica o número de massa atômica do carbono. Resumindo, os átomos presentes nos seres vivos tiveram sua origem na fornalha nuclear de estrelas mais massivas que o Sol. Os átomos que formam as proteínas, C, N e O, foram forjados no núcleo de estrelas. O l h e p a r a s u a s m ã o s , m u i t o provavelmente os átomos que formam a sua mão direita foram gerados numa estrela diferente da estrela que gerou os átomos da mão esquerda. Como diria Mr. Spock. Fascinante!
12C
4He
16O
γ
Nêutron Próton
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Origem dos Átomos
O astrobiólogo Carl Sagan. Disponível em: <http://www.carlsagan.com/ >. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
“We are star stuff” Carl Sagan
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Origem dos Átomos
A nave Voyager lançada em 1977 tornou-se um dos 4 objetos feitos pelo homem a deixar o sistema solar. A Voyager leva um disco de ouro (mostrado ao lado) com mensagens e informações sobre os seres humanos e o planeta Terra. Carl Sagan liderou o grupo que selecionou as imagens e sons que foram colocados no disco. Se neste exato momento, a civilização humana deixasse de existir, esse disco de ouro seria um dos poucos registros da nossa civilização.
Disco de ouro com mensagens gravadas que foi enviada nas naves Voyagers. Disponível em: <http://www.carlsagan.com/ >. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Origem dos Átomos
Podemos especular, que uma das condições necessárias para o surgimento da vida é a existência de planetas. Tais planetas podem surgir com os restos da explosão de uma estrela mais massiva que o Sol. A origem do nosso sistema solar leva em conta tal hipótese, para a formação de planetas rochosos, como a Terra, Mercúrio, Vênus e Marte. Planetas rochosos podem apresentar as condições necessárias para o surgimento da vida, tais como, presença de água na forma líquida, temperatura relativamente estável e atmosfera para filtrar a incidência de radiação danosa à vida.
Visão artística do tamanho relativo dos planetas do sistema solar. Os planetas rochosos são os menores, Mercúrio, Vênus, Terra e Marte. Site Science Photo Library. Disponível em : <http://www.sciencephoto.com/media/83692/enlarge> . Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Origem do Sistema Solar
O nosso sistema solar surgiu há aproximadamente 4,5 bilhões de anos. A teoria mais aceita descreve a origem do sistema solar como resultado da explosão de uma supernova, que perturbou uma nuvem de gás e poeira (A). A explosão da supernova gerou uma onda de pressão. Essa onda levou à concentração de gás e poeira da nuvem, o que teve como resultado o colapso dessa (B). A nuvem começou a girar, conforme colapsava. Podemos traçar uma analogia com uma dançarina girando, quando ela aproxima os braços do corpo gira mais rápido, isto é chamado conservação do momento angular.
Visão artística da criação do sistema solar. D i s p o n í v e l e m : <h t t p : / / w w w . t h u n d e r b o l t s . i n f o / t p o d / 2 0 0 6 /image06/060126solar4.jpg >. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Origem do Sistema Solar
Conforme a nuvem colapsava, o centro da nuvem tornou-se mais aquecido e o exterior relativamente mais frio. A nuvem tomou a forma de um disco, com o Sol no centro (B e C). Concentrações gasosas próximas ao centro não sobreviveram, só concentrações rochosas permaneceram próximas ao centro do disco. Esses núcleos rochosos formaram os planetas internos do sistema solar, Mercúrio, Vênus, Terra e Marte (D). Os núcleos gasosos formaram os gigantes gasosos, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno (E).
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Visão artística da criação do sistema solar. D i s p o n í v e l e m : <h t t p : / / w w w . t h u n d e r b o l t s . i n f o / t p o d / 2 0 0 6 /image06/060126solar4.jpg >. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
Origem do Sistema Solar
A v i d a s u r g i u n a T e r r a h á aproximadamente 3,5 bilhões de anos atrás. Não temos como ter acesso aos sistemas biológicos que surgiram nos primórdios da Terra. Só temos acesso às formas de vida atuais, mas podemos usar o que sabemos sobre evolução, biologia celular e molecular, para elaborarmos um cenário de como a vida surgiu na Terra. Para tal cenário vamos considerar os constituintes moleculares das células. Aproximadamente 1/3 da massa seca da célula é formado por proteína, e para entendermos a vida precisamos saber como as proteínas surgiram. Outro componente básico da vida são os ácidos nuc le i cos , essas mo lécu las são responsáveis pelo armazenamento da informação genética.
Imagem de microscópio eletrônico 3D de uma semente de milho. Tal técnica permitiu identificar as proteína sinalizadoras na célula. Disponível em: <http://www.news.wisc.edu/19946>. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Origem da Vida na Terra
Assim vamos usar a hipótese de Oparin-Haldane, proposta de forma independente pelos cientistas Aleksandr Oparin (em 1924) e John Haldane (em 1929). Tal hipótese diz que as moléculas da vida surgiram de moléculas mais simples. A formação das moléculas da vida ocorreu a partir de reações químicas espontâneas, que envolveram substâncias presentes na Terra pré-biótica, tais como água, metano, gás hidrogênio e amônia. Usaremos essa a b o r d a g e m p a r a a n a l i s a r m o s o surgimento da vida. Partiremos dos tijolos básicos da vida, os nucleotídeos e os aminoácidos. Apresentaremos a seguir as pr inc ipa is carac ter ís t icas dessas moléculas, e em seguida veremos como elas surgiram na Terra.
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Imagem de microscópio eletrônico 3D de uma semente de milho. Tal técnica permitiu identificar as proteína sinalizadoras na célula. Disponível em: <http://www.news.wisc.edu/19946>. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
Origem da Vida na Terra
Os aminoácidos são moléculas quirais, 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 (próximo slide). 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.
Aminoácido do tipo L. A figura foi gerada com o programa Visual Molecular Dynamics (VMD), disponível em: < h t tp : / /www.ks .u iuc .edu /Deve lopment /Down load /download.cgi?PackageName=VMD>. Acesso em: 3 de Novembro de 2017. HUMPHREY W; DALKE A; SCHULTEN K. VMD - Visual Molecular Dynamics. Journal of Molecular Graphics, Amsterdã, v.14, p.33-38, 1996. Usamos a opção Graphics->Representations... do programa VMD. Na opção Drawing Method usamos a opção CPK .
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Quiralidade dos Aminoácidos
Regra do “CORN”. A regra do “CORN” indica a distribuição das ligações covalentes ao redor do carbono alfa. O estado de protonação, tanto do grupo amino, quanto do grupo carboxílico, depende do pH do meio, e pode apresentar-se protonado como desprotonado. O estado mostrado na fórmula molecular e na estrutura tridimensional é o predominante nas condições fisiológicas.
NH3
C C
H
R
H3N+
O-
O
COO R
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Quiralidade dos Aminoácidos
Glicina Gly G
Alanina Ala A
Serina Ser S
Treonina Thr T
Cisteina Cys C
Valina Val V
Isoleucina Ile I
Leucina Leu L
Prolina Pro P
Fenilalanina Phe F
Tirosina Tyr Y
Metionina Met M
Triptofano Trp W
Asparagina Asn N
Glutamina Gln Q
Histidina His H
Aspartato Asp D
Glutamato Glu E
Lisina Lys K
Arginina Arg R
Representação de aminoácidos
A tabela abaixo mostra os nomes dos 20 aminoácidos naturais e seus códigos de três letras e uma letra.
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Quiralidade dos Aminoácidos
O diagrama de Venn é um recurso gráfico para representação de conjuntos. Por exemplo, nós podemos criar um conjunto para representar as vogais do alfabeto, um conjunto para estações do ano, um conjunto com os nomes das espécies ameaçadas de ex t inção e tc . Ta l representação permite uma análise de características de um determinado conjunto, por exemplo, no conjunto dos animais em extinção, nós podemos representar um subconjunto indicando aqueles que são mamíferos, ou aqueles que habitam a África, ou ainda, aqueles que habitam a África e são mamíferos. Ao lado temos o diagrama de Venn para os aminoácidos, onde separamos em s u b c o n j u n t o s l e v a n d o - s e e m consideração aspectos físico-químicos. Veja que situações onde um aminoácido pertence a mais de um subconjunto.
Diagrama de Venn para os 20 aminoácidos mais comuns.
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Propriedades dos Aminoácidos
Os ácidos nucleicos formam outra classe de moléculas, essenciais para a evolução da vida na Terra. Como as proteínas os ácidos nucleicos são polímeros, só que neste caso de nucleotídeos e apresentam um vasto espectro de dimensões. Podem ter por volta de 80 nucleotídeos como o RNA transportador, ou mais de 108 pares de nucleotídeos, como observado no cromossomo de eucariotos. As unidades básicas dos ácidos nucleicos são os pares de bases para aqueles que formam hélice dupla, ou as bases, para outros que apresentam-se como cadeia única.
Par de bases
DNA
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Ácidos Nucleicos
A figura foi gerada com o programa Visual Molecular Dynamics (VMD), disponível e m : < h t t p : / / w w w. k s . u i u c . e d u /Deve lopmen t /Down load /d o w n l o a d . c g i ?P a c k a g e N a m e = V M D > . Acesso em: 5 de mar. 2014. HUMPHREY W; DALKE A; SCHULTEN K. VMD - Visual Molecular Dynamics. Journal o f Mo lecu la r Graph ics , Amsterdã, v.14, p.33-38, 1996. Usamos a opção Graphics->Representations... do programa VMD. Na opção Drawing Method usamos a opção Licorice .
Os pares de bases são normalmente abreviados por bp, a partir da terminologia em língua inglesa (base pair), assim podemos usar múltiplos para representarmos a quantidade de bp de uma molécula de DNA, geralmente são usados Mbp (mega=106) e kbp (kilo=103). O cromossomo da bactéria E. coli apresenta 4.106 bp, ou 4 Mbp, com uma massa molecular de aproximadamente 3.109 Da.
Par de bases
DNA
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A figura foi gerada com o programa Visual Molecular Dynamics (VMD), disponível e m : < h t t p : / / w w w. k s . u i u c . e d u /Deve lopmen t /Down load /d o w n l o a d . c g i ?P a c k a g e N a m e = V M D > . Acesso em: 5 de mar. 2014. HUMPHREY W; DALKE A; SCHULTEN K. VMD - Visual Molecular Dynamics. Journal o f Mo lecu la r Graph ics , Amsterdã, v.14, p.33-38, 1996. Usamos a opção Graphics->Representations... do programa VMD. Na opção Drawing Method usamos a opção Licorice .
Ácidos Nucleicos
Os nucleotídeos são os tijolos básicos que formam RNA (ácido ribonucléico) e DNA (ácido desoxirribonucléico). Os constituintes básicos do RNA são ribonucleotídeos e os do DNA são 2’-desoxirribonucleotídeos. Todos nucleotídeos são formados por uma base heterocíclica nitrogenada, um açúcar pentose e resíduos de fosfato. A figura abaixo mostra a estrutura 3D do nucleotídeo.
Fosfato
Açúcar
Base
Nuc
leot
ídeo
Nuc
leos
ídeo
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A figura foi gerada com o programa Visual Molecular Dynamics (VMD), disponível e m : < h t tp : / /www.ks .u iuc .edu /Development/Download/d o w n l o a d . c g i ?P a c k a g e N a m e = V M D > . Acesso em: 5 de mar. 2014. HUMPHREY W; DALKE A; SCHULTEN K. VMD - Visual Molecular Dynamics. Journal of Molecular Graphics, Amsterdã, v.14, p.33-38, 1996. Usamos a opção G r a p h i c s ->Representa t ions . . . do programa VMD. Na opção Drawing Method usamos a opção CPK .
Ácidos Nucleicos
O experimento de Miller-Urey é um dos experimentos clássicos sobre a criação de moléculas biológicas. No experimento são simuladas as prováveis condições da Terra primitiva. Essas condições são chamadas de pré-bióticas, visto que não havia vida ainda. O experimento de Miller-Urey apresenta uma atmosfera artificial de metano (CH4), amônia (NH3), gás hidrogênio (H2) e vapor d’água, que acredita-se estavam presentes em quantidades altas na atmosfera terrestre pré-biót ica. Faíscas elétr icas são disparadas no experimento e, depois de diversos dias, uma substância orgânica acumula-se. A análise dessa massa indica a p resença de aminoác idos , os componentes básicos para a formação de proteínas.
Experimento de Miller-Urey. Disponível em: <http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/40/UreyMillerExperiment.jpeg>. Acesso em: 3 de Novembro de 2017. 26
Química Pré-biótica
No diagrama esquemático abaixo, temos 2 eletrodos inseridos num balão de vidro esterilizado, que são as fontes das descargas elétricas. Amônia, metano, vapor d’água e hidrogênio estão no balão, onde são disparadas as descargas elétricas. No experimento original, realizado em 1953, Miller e Urey deixaram o sistema ligado por uma semana.
Condensador
Água
Eletrodos
Gases da atmosfera primitiva H2O, NH3, CH4, H2
Aquecimento
Para bomba de vácuo
Água resfriada contendo componentes orgânicos
Para acesso ao balão Para acesso à água
Fonte de voltagem(V)
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Química Pré-biótica
Condensador
Água
Eletrodos
Gases da atmosfera primitiva H2O, NH3, CH4, H2
Aquecimento
Para bomba de vácuo
Água resfriada contendo componentes orgânicos
Para acesso à água
Fonte de voltagem(V)
Ao final do experimento, havia moléculas orgânicas formadas a partir de precursores inorgânicos. Tal experimento é um teste da hipótese de Oparin e Haldane. A hipótese estabelece que, as condições da Terra primitiva eram favoráveis para que reações químicas gerassem moléculas orgânicas, como os aminoácidos.
Para acesso ao balão
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Química Pré-biótica
Em 2008, um breve ar t igo de Johnson et al., 2008 descreveu refinamentos no experimento original de Miller-Urey. Nesses refinamentos foi introduzida uma válvula que permitia a injeção de um fluxo de gás. Esse sistema visa simular as condições encontradas próximas às erupções vulcânicas, como na figura ao lado. Em tal situação HCN, aldeídos e cetonas participam na síntese de aminoácidos. Esses aminoácidos podem ter se acumulado em áreas sujeitas às mares e em contato com sufato de carbonila, um gás comum em erupções, ter sofrido polimerização. A polimerização de aminoácidos permite a formação de proteínas.
F o n t e : Johnson, A.P. , Cleaves, H.J. , Dworkin, J.P., Glavin, D.P., Lazcano, A., Bada, J.L. The Miller Volcanic spark discharge experiment. Science, Vol. 322, 404.
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Química Pré-biótica
Na nova configuração experimental foram gerados cinco aminoácidos e amina, não encontrados no experimento original de Miller-Urey. Foram usadas técnicas de cromatografia e espectrometria de massas para a análise do material produzido no experimento. A análise permitiu uma grande precisão nos resultados. O gráfico ao lado mostra a r a z ã o m o l a r d o s c o m p o n e n t e s identificados no novo experimento. Vemos que o aminoácido glicina, seguido de alanina são majoritariamente formados no experimento de 2008.
F o n t e : Johnson, A.P. , Cleaves, H.J. , Dworkin, J.P., Glavin, D.P., Lazcano, A., Bada, J.L. The Miller Volcanic spark discharge experiment. Science, Vol. 322, 404.
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Química Pré-biótica
Razão molar
Há aproximadamente 4 bilhões de anos atrás a Terra era um planeta quente e sem vida. O sistema solar apresentava abundância de meteoros, restos da fo rmação do s is tema so la r, que bombardearam a jovem Terra. Esse bombardeio trouxe as moléculas básicas da vida, os tijolos fundamentais que seriam usados na formação da primeira forma de vida na Terra. A análise de meteoritos, que ainda caem na Terra, como o de Muchison, nos revelaram a presença de aminoácidos (tijolos básicos de proteínas) e bases nitrogenadas (tijolos básicos de ácidos nucleicos).
Meteoritos podem apresentar bases nitrogenadas que foram nucleotídeos, o tijolo molecular básico das moléculas de DNA e RNA. Disponível em: <http://solarsystem.nasa.gov/scitech/display.cfm?ST_ID=2426> . Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Química Pré-biótica
Visão artística do bombardeio de moléculas orgânicas na Terra. Disponível em: <http://www.nasa.gov/centers/goddard/images/content/317844main_PNAS_new_jpg.jpg> . Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
Além disso, meteoros e meteoritos, ao passar pela atmosfera terrestre podem ter forçado reações químicas, que levaram à formação de moléculas orgânicas e reações de polimerização. Essas reações levam à formação de proteínas (polímero de aminoácidos) e ácidos nucleicos (polímero de nucleotídeos). Outra possibilidade, é que os meteoritos podem ter vaporizados rochas, o que levou à formação de moléculas orgânicas. Resumindo, os meteoritos que atingiram a Terra podem ter fornecido uma “biblioteca” inicial de moléculas orgânicas que favoreceram o surgimento da vida.
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Química Pré-biótica
Dois resultados interessantes podemos tirar sobre a origem das moléculas orgânicas. 1) Aminoácidos encontrados em proteínas são do tipo L. 2) Síntese de aminoácidos (aa) no experimento de Miller-Urey leva a uma mistura idêntica das duas formas, (50 % de aminoácidos de cada tipo). Tais resultados levam a uma questão. Por que somente aminoácidos do tipo L são encontrado em proteínas?
Quiralidade dos aminoácidos. Disponível em: <http://www.astrobio.net/pressrelease/2641/giving-life-a-hand>. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Química Pré-biótica
Na verdade, só recentemente a partir da análise de aminoácidos encontrados em meteoritos, lançou-se alguma luz sobre tal questão. Os aminoácidos encontrados em meteoritos são majoritariamente do tipo L, isso 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 o primeiro ser vivo surgiu, com proteínas formadas por aminoácidos do tipo L, não haveria pressão evolucionária para mudar.
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Quiralidade dos aminoácidos. Disponível em: <http://www.astrobio.net/pressrelease/2641/giving-life-a-hand>. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
Química Pré-biótica
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, que ao po l imer izarem formam os ác idos nucleicos. Contudo, ainda temos que colocar os ingredientes dessa “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.
Estrutura cristalográfica da ribozima (código PDB: 2OEU). A figura foi gerada com o programa Visual Molecular D y n a m i c s ( V M D ) , d i s p o n í v e l e m : < h t t p : / /www.ks .u i uc .edu /Deve lopmen t /Down load /download.cgi?PackageName=VMD>. Acesso em: 3 de Novembro de 2017. HUMPHREY W; DALKE A; SCHULTEN K. VMD - Visual Molecular Dynamics. Journal of Molecular Graphics, Amsterdã, v.14, p.33-38, 1996. Usamos a opção Graphics->Representations... do programa VMD. Na opção Drawing Method usamos a opção Licorice .
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Mundo de RNA
Formação da Terra
Sopa prebiótica
Eucariotos
Archaea
Bactéria
Primeiro organismo Primeiro organismo Evolução Darwiana
RNA, DNA e proteínas
Ancestral comum
Mundo pré-biotíco
Mundo de RNA
Mundo de RNA, DNA e proteína
No diagrama esquemático ao lado, temos a evolução da vida na Terra. Dos primórdios do mundo pré-biótico (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 mundo de RNA 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.
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Vida na Terra
Uma das questões mais intrigantes da ciência é sobre a existência de vida extraterrestre. Um tema recorrente em ficção científica, onde somos visitados por seres alienígenas que estão aqui para nos destruir ou para nos alertar sobre nossa autodestruição. Colocando a ficção científica de lado, temos fortes evidências científicas que a vida não é um evento isolado do planeta Terra. Vimos que os tijolos moleculares básicos, necessários para a formação da vida, são comuns e podem ter “semeado” a vida em outros pontos desta galáxia e de outras. O estudo deste ramo fascinante da ciência é chamado de astrobiologia.
Cartaz do filme de ficção científica 2001. D i s p o n í v e l e m : <h t t p : / / w w w . h o l l y w o o d . c o m / n e w s /Classic_Hollywood_Movie_Spotlight_2001_A_Space_Odyssey/7285158>. Acesso em: 3 de Novembro de 2017. 37
Vida Extraterrestre
Em 1960 o astrofísico Frank Drake propôs uma equação simples para a estimativa do número de civilizações extraterrestres com capacidade de se comunicar conosco (N). A equação leva em conta diversos parâmetros e expressa o resultado como o produto (multiplicação) desses fatores. A equação de Drake é a seguinte: 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.
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Como ilustração, faremos uma estimativa do número de civilizações extraterrestres com capacidade de se comunicar conosco, a partir da equação de Drake. Os parâmetros são sujeitos a grande debate e críticas. Usaremos valores recentes est imados pela Nasa e pesqu isadores em as t rob io log ia . Usaremos os valores maiores previstos nas referências indicadas, para termos uma ideia do número máximo estimado pela equação de Drake.
R * = 7 ( f o n t e : Milky Way Churns Out Seven New Stars Per Year, Scientists Say". Goddard Space Flight Center, NASA). Acesso em: 3 de Novembro de 2017. f p = 1 ( f o n t e : Exoplanets are around every star, study suggests". BBC). Acesso em: 3 de Novembro de 2017. ne = 0,2 (fonte: W. von Bloh, C.Bounama, M. Cuntz, and S. Franck. (2007). "The habitability of super-Earths in Gliese 581". Astronomy & Astrophysics 476 (3): 1365). fl = 0,13 (fonte: Lineweaver, C. H. & Davis, T. M. (2002). "Does the rapid appearance of life on Earth suggest that life is common in the universe?". Astrobiology 2 (3): 293–304). f i = 1 ( f o n t e : h t tp : / /www.acampbe l l .o rg .uk /bookrev iews / r /morris.html). Acesso em: 3 de Novembro de 2017. f c = 1 ( f o n t e : http://en.wikipedia.org/wiki/Drake_equation). Acesso em: 3 de Novembro de 2017. L = 109 (fonte: Lonely Planets, David Grinspoon, 2004)
R* = 7 fp = 1 ne = 0,2 fl = 0,13 fi = 1 fc = 1 L = 109
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Substituindo-se os valores temos: N = 7 x 1 x 0,2 x 0,13 x 1 x 1 x 109 N = 0,182 x 109 N = 182.000.000 civilizações ! Ou seja, nossa galáxia fervilha de civilizações. A questão é onde eles estão? Não há uma resposta satisfatória para e s t a q u e s t ã o , a l g u n s a u t o r e s simplesmente afirmam que muitos dos parâmetros da equação de Drake podem estar superestimados. Outros autores afirmam que civilizações tecnológicas acabam “evoluindo” para uma forma cibernética de vida, e passam a ter pouco interesse em civilizações tão atrasadas como a nossa.
Visão artística da via láctea, mostrando a posição do nosso sistema solar. Disponível em: <http://earthguide.ucsd.edu/eoc/teachers/t_universe/p_milkyway.html> . Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Diversos parâmetros da equação de Drake são difíceis de se estimar, por exemplo, o número médio de planetas que podem abrigar vida. Só recentemente conseguimos detectar exoplanetas (planetas fora do nosso sistema solar), e estimar se esses exoplanetas podem abrigar vida é difícil. Mesmo no nosso sistema solar, só temos certeza que a Terra abriga vida, contudo há fortes indícios que Marte abrigou vida no passado. A lém dos p lanetas, há possibilidade de vida em algumas luas, como por exemplo em Enceladus, uma lua de Saturno, mostrada na foto ao lado. Assim, o melhor que a equação de Drake nos permite, é uma especulação com base científica.
Enceladus, lua de Saturno coberta com gelo. Disponível em: <http://www.wired.com/wiredscience/2009/01/et-life/> . Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Abaixo temos link para um artigo que descreve a formação de dipeptídeos no espaço.
Disponível em: < http://iopscience.iop.org/0004-637X/765/2/111/> Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Material Adicional (Artigos Relacionados)
Artigos selecionados A astrobiologia é uma área de pesquisa muito ativa, com várias descobertas recentes de grande importância. Selecionei 3 artigos que considero trazem resultados interessantes. 1 ) Callahan MP, Smith KE, Cleaves HJ 2nd, Ruzicka J, Stern JC, Glavin DP, House CH, Dworkin JP. Carbonaceous meteorites contain a wide range of extraterrestrial nucleobases. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Aug 23;108(34):13995-8. Artigo que descreve a identificação de bases nitrogenadas em meteoritos. Modernas técnicas de análise molecular, como cromatografia líquida e espectrometria de massas foram usadas na identificação das bases. 2 ) Johnson AP, Cleaves HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Lazcano A, Bada JL. The Miller volcanic spark discharge experiment. Science. 2008 Oct 17;322(5900):404. Experimento onde é inserido uma válvula no aparato origina do experimento de Miller. Tal modificação gera novos aminoácidos. 3 ) Parker ET, Cleaves HJ, Dworkin JP, Glavin DP, Callahan M, Aubrey A, Lazcano A, Bada JL. Primordial synthesis of amines and amino acids in a 1958 Miller H2S-rich spark discharge experiment. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Apr 5;108(14):5526-31. Este artigo descreve análise do material original da 1958 do experimento de Miller, com modernas técnicas de cromatografia e espectrometria de massas.
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Material Adicional (Artigos Relacionados)
O gênero de ficção científica é bem explorado pelo cinema, com filmes para todos os gostos. Minha modesta sugestão é o filme “Contato”. Esse filme é um relato das pesquisas pela busca de sinais de rádios emitidos por civilizações extraterrestres, como a estimada pela equação de Drake. O roteiro é baseado no livro homônimo de Carl Sagan. Além da discussão científica bem embasada, há uma discussão sobre a navalha da Occam, que vimos na aula anterior. Preparem a pipoca!
Cartaz do filme: Contato. Disponível em: <http://www.hollywood.com/feature/10_Films_to_Celebrate_Earth_Day/6843078 >. Acesso em: 3 de Novembro de 2017.
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Material Adicional (Filme Indicado)
A internet é uma ferramenta maravilhosa para estudo, se bem usada, você tem acesso a material de qualidade que enriquecesse o processo de aprendizagem. Segue uma breve descrição de alguns sites relacionados com a aula de hoje. Se você tiver alguma sugestão envie-me ([email protected] ). 1) http://www.astrobio.net/ . Este site traz uma base de dados com notícias relacionadas com astrobiologia. O site é atual e dinâmico, com descrição de resultados recentes de pesquisa na busca de vida extraterrestre e as condições de formação de vida em outros planetas, bem como as teorias sobre o surgimento da vida na Terra. O site é em inglês. 2) http://hubblesite.org/ . Este site traz imagens fantásticas capturadas pelo telescópio espacial Hubble. Não deixe de visitar. O site é em inglês. 3) http://www.nasa.gov/home/index.html . Site oficial da Nasa, a agência espacial americana, responsável pelos voos espaciais americanos e que centraliza boa parte da pesquisa em astrobiologia dos EUA. O site é em inglês. 4) http://www.carlsagan.com/ . Site sobre o trabalho do cientista Carl Sagan, um grande astrobiólogo que dedicou-se à divulgação da ciência. É do Carl Sagan a premiada série de televisão “Cosmo” e o livro de ficção científica “Contato”. O site é em inglês. 5) http://www.bbc.com/future/story/20120821-how-many-alien-worlds-exist . Página para cálculo da equação de Drake.
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Material Adicional (Sites Indicados)
ALBERTS, B. et al. Biologia Molecular da Célula. 4a edição. Artmed editora, Porto Alegre, 2004 (Capítulo 3). DURÁN, J. E. R. Biofísica. Fundamentos e Aplicações. Pearson Education do Brasil Ltda, São Paulo, 2003. LESK, A. M. Introduction to Protein Architecture. Oxford University Press, New York, 2001. RAW, I. HO, P. L. Integração e seus sinais. Editora UNESP, São Paulo, 1999.
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Referências Bibliográficas
