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Biofísica
Astrobiologia
Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr.
E-mail: [email protected]
Facebook: https://www.facebook.com/Prof.Walter
Local das aulas teóricas: 12 A/307
Local das aulas práticas: 12 C/202
Laboratório do Prof. Walter: Bloco12 C/204
1
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01
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F.
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do
Jr.
Imagem disponível em:< http://www.alee.montana.edu/>
Acesso em: 3 de agosto de 2015.
Vida: Sistemas capazes de
autoreplicação 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 .
Disponível em : < http://io9.com/5677619/giant-carbon-
buckyballs-might-have-helped-bring-about-life-on-earth >
Acesso em: 3 de agosto de 2015.
2
Definições
A teoria do Big Bang estabelece que o
Universo surgiu há aproximadamente 13,5
bilhões de anos atrás. Tal 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. Tal 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
ElétronPróton
3
Origem dos Átomos
Na expansão da nuvem de gás (H e He),
apareceram regiões onde a concentração
gasosa era maior que em outras regiões,
tais 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 agosto de 2015.
4
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
2gr
MmGF
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 agosto de 2015.
5
Origem dos Átomos
Esta 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
maior a força (Fg). Resumindo,
aumentando a massa, aumentamos a
força e aumentando a distância
diminuímos a força, esta equação simples
e intuitiva vale tanto para galáxias como
para um padawan na aula.
2gr
MmGF
Fg
Onde G = 6,6726.10-11 N.m2/kg2
6Fonte da informação sobre as constantes físicas:
<http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html>. Acesso
em: 3 de agosto de 2015.
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 agosto de 2015.
7
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. Tal processo
libera neutrino (partícula com massa
menor que os prótons e nêutrons) e
grandes quantidades de energia. A
estrela brilha! Na verdade tal 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
NêutronPróton
8
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.
C12
6
Número de massa atômica (A)
Número atômico (Z)
NêutronPróton
Núcleo de carbono
9
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 estrelas.
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 ().
4He
4He
4He8Be
12C
NêutronPróton
10
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.
Olhe para suas mãos, muito
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
NêutronPróton
11
Origem dos Átomos
O astrobiólogo Carl Sagan.
Disponível em: <http://www.carlsagan.com/ >.
Acesso em: 3 de agosto de 2015.
“We are star stuff”Carl Sagan
12
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 agosto de 2015.
13
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 agosto de 2015.
14
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.
Tal 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.
Disponível em :
<http://www.thunderbolts.info/tpod/2006/image06/060126sola
r4.jpg >. Acesso em: 3 de agosto de 2015. 15
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. Tais 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).
16
Visão artística da criação do sistema solar.
Disponível em :
<http://www.thunderbolts.info/tpod/2006/image06/060126sola
r4.jpg >. Acesso em: 3 de agosto de 2015.
Origem do Sistema Solar
Os planetas gigantes gasosos estão a
uma distância suficientemente alta do Sol,
que permite sua constituição gasosa.
Ainda não sabemos se há um núcleo
rochoso nos gigantes gasosos (Júpiter,
Saturno, Urano e Netuno). A sonda Juno,
lançada em 5 de agosto de 2011, orbitará
Júpiter com instrumentos científicos que
permitirão um estudo do núcleo do
planeta, o que poderá confirmar a
presença de um núcleo sólido. A data
prevista para a chegada da sonda Juno
em Júpiter é julho de 2016.
Mais informações no site: <
http://www.nasa.gov/mission_pages/juno/
main/index.html >.
Acesso em: 3 de agosto de 2015.
Representação artística da nave Juno em órbita de Júpiter.
Disponível em:
<http://solarsystem.nasa.gov/multimedia/gallery/Juno3.jpg> .
Acesso em: 3 de agosto de 2015.
17
Origem do Sistema Solar
A vida surgiu na Terra há
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
nucleicos, tais moléculas 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 agosto de 2015.
18
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 tal
abordagem para analisarmos o
surgimento da vida. Partiremos dos tijolos
básicos da vida, os nucleotídeos e os
aminoácidos. Apresentaremos a seguir as
principais características dessas
moléculas, e em seguida veremos como
elas surgiram na Terra.
19
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 agosto de 2015.
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: <
http://www.ks.uiuc.edu/Development/Download/download.c
gi?PackageName=VMD>. Acesso em: 3 de agosto de
2015.
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 .20
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
21
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.
22
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 extinção etc. Tal
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
subconjuntos levando-se em
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.
23
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
24
Ácidos Nucleicos
A figura foi gerada com o
programa Visual Molecular
Dynamics (VMD), disponível
em: <
http://www.ks.uiuc.edu/Develo
pment/Download/download.cg
i?PackageName=VMD>.
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
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
25
A figura foi gerada com o
programa Visual Molecular
Dynamics (VMD), disponível
em: <
http://www.ks.uiuc.edu/Develo
pment/Download/download.cg
i?PackageName=VMD>.
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
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
Nucle
otíd
eo
Nucle
osíd
eo
26
A figura foi gerada com o
programa Visual Molecular
Dynamics (VMD), disponível
em: <
http://www.ks.uiuc.edu/Devel
opment/Download/download.
cgi?PackageName=VMD>.
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
Graphics-
>Representations... 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. Tais 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-biótica. Faíscas elétricas são
disparadas no experimento e, depois de
diversos dias, uma substância orgânica
acumula-se. A análise dessa massa indica
a presença de aminoácidos, 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 agosto de 2015.27
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 primitivaH2O, NH3, CH4, H2
Aquecimento
Para bomba de vácuo
Água resfriada contendo
componentes orgânicos
Para acesso ao balãoPara acesso à água
Fonte de voltagem(V)
28
Química Pré-biótica
Condensador
Água
Eletrodos
Gases da atmosfera primitivaH2O, 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
29
Química Pré-biótica
Em 2008, um breve artigo 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. Tal 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. Tais 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.
Fonte: 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.
30
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
razão molar dos componentes
identificados no novo experimento. Vemos
que o aminoácido glicina, seguido de
alanina são majoritariamente formados no
experimento de 2008.
Fonte: 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.
31
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
formação do sistema solar, 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=242
6> .
Acesso em: 3 de agosto de 2015.
32
Química Pré-biótica
Visão artística do bombardeio de moléculas orgânicas na Terra.
Disponível em:
<http://www.nasa.gov/centers/goddard/images/content/317844
main_PNAS_new_jpg.jpg> .
Acesso em: 3 de agosto de 2015.
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. Tais 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.
33
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 agosto de 2015.
34
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,
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 o
primeiro ser vivo surgiu, com proteínas
formadas por aminoácidos do tipo L, não
haveria pressão evolucionária para
mudar.
35
Quiralidade dos aminoácidos.
Disponível em:
<http://www.astrobio.net/pressrelease/2641/giving-life-a-
hand>.
Acesso em: 3 de agosto de 2015.
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
polimerizarem formam os ácidos
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
Dynamics (VMD), disponível em: <
http://www.ks.uiuc.edu/Development/Download/download.cgi
?PackageName=VMD>. Acesso em: 3 de agosto de 2015.
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 . 36
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.
37
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.
Disponível em:
<http://www.hollywood.com/news/Classic_Hollywood
_Movie_Spotlight_2001_A_Space_Odyssey/728515
8>. Acesso em: 3 de agosto de 2015.
38
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. 39
Vida Extraterrestre
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 estimados pela Nasa e
pesquisadores em astrobiologia.
Usaremos os valores maiores previstos
nas referências indicadas, para termos
uma ideia do número máximo estimado
pela equação de Drake.
R* = 7 (fonte: Milky Way Churns Out Seven New Stars
Per Year, Scientists Say". Goddard Space Flight
Center, NASA). Acesso em: 3 de agosto de 2015.
fp = 1 (fonte: Exoplanets are around every star, study
suggests". BBC). Acesso em: 3 de agosto de 2015.
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).
fi = 1 (fonte:
http://www.acampbell.org.uk/bookreviews/r/morris.html
). Acesso em: 3 de agosto de 2015.
fc = 1 (fonte:
http://en.wikipedia.org/wiki/Drake_equation). Acesso
em: 3 de agosto de 2015.
L = 109 (fonte: Lonely Planets, David Grinspoon, 2004)
R* = 7
fp = 1
ne = 0,2
fl = 0,13
fi = 1
fc = 1
L = 109
40
Vida Extraterrestre
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
esta questão, alguns autores
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_milky
way.html> .
Acesso em: 3 de agosto de 2015.41
Vida Extraterrestre
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. Além dos planetas, 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 agosto de 2015.
42
Vida Extraterrestre
Um conhecimento tirado do estudo da
memória é que temos mais facilidade de
assimilar um novo conhecimento se
relacionarmos com outros que já
estudamos. Ao final de cada aula teórica,
mostraremos a conexão da aula com os
conteúdos de outras disciplinas. Na aula
de hoje vimos que a vida surgiu na Terra,
a partir da combinação de moléculas
simples que podem ter origem
extraterrestre ou podem ter se formado na
Terra pré-biótica. Tal assunto tem forte
relação com a química. Afinal estamos
estudando as moléculas básicas da vida.
Outra relação é com a física, visto que
vimos como os átomos são forjados nas
estrelas.
Aula de
hoje
Química
Física
Biologia
Molecular
Biologia
Celular e
Tecidual
Bioquímica
Estrutural
Matemática
43
Relação com Outras Disciplinas
Temos, também, uma forte relação com a
biologia molecular, uma disciplina que os
padawans estudarão no terceiro semestre
do curso de biologia. A relação com a
biologia celular e tecidual fica destacada
ao vasculharmos os componentes da
célula, que apresenta 1/3 da sua massa
seca formada por proteínas.
Podemos destacar, também, a relação
com a matemática, ao calcularmos a
equação de Drake.
Temos relação com a bioquímica
estrutural, pois estudamos os
componentes básicos das proteínas, os
aminoácidos.
Aula de
hoje
Química
Física
Biologia
Molecular
Biologia
Celular e
Tecidual
Bioquímica
Estrutural
Matemática
44
Relação com Outras Disciplinas
O artigo descrevendo a formação de dipeptídeos no espaço está disponível no link
abaixo. O resumo do artigo está mostrado abaixo.
Disponível em:
< http://iopscience.iop.org/0004-637X/765/2/111/>
Acesso em: 3 de agosto de 2015.
45
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.46
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 agosto de 2015.
47
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.
48
Material Adicional (Sites Indicados)
1)Por que Carl Sagan disse que somos material
estelar?
2)Há evidência científica da existência de vida em
outros planetas?
49
Questões
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.
50
Referências Bibliográficas
Para pensar....
51
