Evolucao Molecular

5/9/2018 Evolucao Molecular - slidepdf.com

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EVOLUÇÃO MOLECULAR

Vivian La va nd er Mend onç a e Sônia Lop es (ag osto d e 2003)

TEMA Biologia molecular e evolução dos seres vivos

CONCEITOSRELACIONADOS

• Estudo das relações evolutivas, em que graus de semelhança por

homologia são interpretados como graus de parentesco

evolutivo.

OBJETIVOS

Ø Compreender a importância dos dados moleculares como uma

ferramenta auxiliar no estudo das relações filogenéticas entre os

seres vivos. A análise molecular pode confirmar ou refutar o que

a análise anatômica sugere ou fornecer pistas para os casos emque a filogenia de um determinado grupo de ser vivo não está

bem definida para os pesquisadores.

ESTRATÉGIAS DEENSINO

Para melhor aproveitamento dessa atividade, os estudantes precisam

estar familiarizados com o processo de síntese de proteínas e o papel

do DNA e do RNA. É importante também que os estudantes saibam o

que é um cladograma. Sugerimos sua aplicação como continuação da

atividade CONSTRUINDO CLADOGRAMAS, na qual características

anatômicas de sete animais são utilizadas para a montagem de um

cladograma. Na presente atividade serão analisadas mutações

gênicas que aparecem ao longo da evolução e que são

funcionalmente neutras. Como exemplo, consideraremos sete

espécies animais fictícias, identificadas por letras. Caso deseje

discutir mais o tema mutação e evolução, sugerimos que trabalhe em

seguida com a atividade SÍNTESE PROTÉICA, MUTAÇÃO E

EVOLUÇÃO: QUAL É A RELAÇÃO?, presente neste site e onde sãoanalisados exemplos de mutações que alteram a função de um gene

e a produção de proteínas.

PRINCÍPIOSBÁSICOS

Adaptado de:Purves et al. 1997.

Life, the science of biology,

BIOLOGIA MOLECULAR E FILOGENIA

O estudo das relações evolutivas entre os seres vivos avançou muito após adescoberta do papel do DNA na determinação da hereditariedade. Osavanços na área bioquímica permitiram compreender quais eram osmecanismos responsáveis pelas modificações de características ao longo dasgerações. Essas características, interpretadas como adaptações ao

ambiente, eram a chave para a idéia de seleção natural proposta porCharles Darwin.



Sinauer Associates&Freeman, EUA.

Assim como a morfologia de um organismo, as suas moléculas também sãocaracterísticas hereditárias. E a evolução dos seres vivos não seria possívelse o material genético herdado de seus ancestrais não sofresse alterações.

Chamamos de Evolução Molecular a área de estudos que procura determinaros processos envolvidos nas alterações das moléculas encontradas nos seresvivos e estabelecer padrões para essas alterações ao longo da escalaevolutiva de tempo. Essa área de estudo depende de técnicas de laboratórioque permitem o sequenciamento de proteínas e ácidos nucléicos. O estudocomparativo de DNA, RNA e proteínas pode fornecer indícios sobre relaçõesfilogenéticas entre grupos de seres vivos. Para isso, moléculas retiradas deseres vivos de grupos diferentes são seqüenciadas e comparadas. Algunspesquisadores utilizam os princípios da cladística para realizar ascomparações: eles procuram determinar quais seriam as condições ancestrale derivada da molécula analisada e constroem cladogramas a partir das

condições derivadas.Sabemos que mutações no material genético podem ocorrer por váriosprocessos e que essas alterações podem ser transmitidas às próximasgerações se as células da linhagem germinativa forem afetadas. Mutaçõespodem ocorrer de diversas maneiras, como perda ou substituições denucleotídeos no DNA no momento de sua duplicação. As perdas acabamdeterminando alterações em toda a seqüência de nucleotídeos a partir doponto onde ocorreu. As substituições podem ou não provocar alterações naseqüência de aminoácidos e comprometer a forma e a função da proteína.Vamos analisar os casos em que a alteração da seqüência original deaminoácidos não modifica a forma e a função da proteína. É o que se

observa quando comparamos um gene e uma proteína encontrados emdiferentes espécies: apesar das variações na seqüência de nucleotídeos e deaminoácidos, a proteína possui o mesmo arranjo espacial e pode exercerfunção seme lhante em todos os grupos de seres vivos que a produzem.Um exemplo é o hormônio insulina, proteína composta de 51 aminoácidos,cuja principal função é a redução do nível de glicose no sangue. A insulinaestá presente em todos os mamíferos e em outros animais vertebrados; nosinvertebrados, foram identificados hormônios muito semelhantes à insulinaem sua estrutura, embora não se tenha definido sua função em algunsgrupos.A insulina foi a primeira proteína a ter sua seqüência de aminoácidos

determinada. A comparação entre a insulina de diferentes mamíferosmostrou que algumas regiões da molécula são idênticas em todas asespécies, enquanto outras regiões apresentam variação. Essas variações, noentanto, não comprometem a função da proteína – uma prova disso é queinsulina extraída de porcos ou coelhos era administrada a seres humanoscom diabetes (do tipo insulina-dependente) com baixa ocorrência derejeição pelos pacientes.As diferenças entre as seqüências de aminoácidos da insulina de mamíferosestão restritas a três posições da cadeia. Os cientistas concluíram quemudanças de aminoácidos nessas três posições não afetam a estrutura e ofuncionamento da insulina. Conseqüentemente, substituições de

aminoácidos nessas posições são funcionalmente neutras . Da mesmaforma, concluiu-se que as regiões da molécula de insulina que não



apresentam variações na seqüência de aminoácidos são justamente aquelasque determinam a forma tridimensional da proteína e garantem a suafunção.

O mesmo padrão foi encontrado no estudo comparativo de outrasmoléculas, como o citocromo c, enzima da cadeia respiratória. Comparando-se a estrutura do citocromo c de seres diversos, verificou-se que assubstituições de aminoácidos estão concentradas em regiões específicas damolécula que não influenciam a sua função e por isso são consideradassubstituições neutras. Portanto, a variabilidade que pode ser encontrada naestrutura de uma molécula não corresponde necessariamente a umavariabilidade de funções.Como as substituições neutras não afetam a função da molécula, elas nãorepresentam ameaça à sobrevivência do organismo e não são excluídas porseleção natural. As substituições de nucleotídeos (no DNA ou RNA) e de

aminoácidos (nas proteínas) são portanto determinadas por uma taxanatural de mutações que ocorre nas moléculas ao longo do tempo.Os cientistas utilizam esse ritmo constante de mutação em uma moléculacomo um relógio molecular. Vamos imaginar que a proteína “x” estápresente em todos os vertebrados e foi feita uma análise comparativa de “x” entre eles. O número de diferenças na seqüência de aminoácidos entrepeixes e anfíbios pode ser relacionado com o período da história da Terra emque anfíbios divergiram do grupo dos peixes (informação determinada peloestudo de fósseis e pela comparação de anfíbios e peixes atuais). Fazendoessa mesma relação com os outros grupos de vertebrados, podemos calculara taxa de mutação da proteína “x” ao longo do tempo evolutivo e determinar

qual é a seqüência ancestral da proteína “x” e quais são as condiçõesderivadas. Se a taxa de mutação calculada for constante, teremos o relógiomolecular da proteína “x”, que servirá como mais uma ferramenta noprocesso de estimar quando determinados eventos aconteceram na históriaevolutiva da Terra.Vamos considerar que duas espécies de mamíferos possuem um númerorelativamente pequeno de diferenças na seqüência de aminoácidos dahemoglobina; essa proteína possui uma taxa constante de mutação,então podemos deduzir que essas espécies divergiram a partir de umancestral comum em um período recente da escala evolutiva. Se a formaçãodessas duas espécies a partir de um ancestral comum tivesse ocorrido há

mais tempo, um número maior de mutações teria aparecido em seus genese as diferenças de aminoácidos da hemoglobina de cada espécie seriammaiores.É importante ressaltar que cada proteína apresenta uma taxa de mutaçãodiferente e, em alguns casos, regiões distintas da mesma molécula possuemritmos diferentes de mutação.Por que utilizar moléculas para o estudo da evolução dos seres vivos,quando a comparação da morfologia e a análise do registro fóssil podemfornecer boas hipóteses? Quanto mais características forem utilizadas nadedução das relações filogenéticas entre grupos de seres vivos –comparações morfológicas, dados moleculares, análise dos fósseis – mais

confiável será a hipótese elaborada .



DURAÇÃO DA

ATIVIDADE 2 aulas

MATERIAISNECESSÁRIOS

1. Ficha de atividade (anexo 1)

2. Sugestão de avaliação da atividade (anexo 2)

3. Gabarito da atividade (anexo 3), que pode ser de uso exclusivo do

professor ou para o aluno fazer sua própria verificação

4. Gabarito das questões de avaliação (anexo 4)

PROCEDIMENTOS

1. A atividade pode ser realizada individualmente ou em pequenos

grupos (3 a 4 alunos).

2. Distribua para cada aluno ou grupo uma cópia da ficha de

atividade (anexo 1). Nessa ficha encontram-se seqüências deaminoácidos de uma mesma proteína, pertencentes a seis animais de

espécies diferentes, identificados por letras. A seqüência de

aminoácidos utilizada nessa atividade é apenas ilustrativa e não

corresponde a nenhuma proteína real, bem como as espécies

animais!

3. Os estudantes devem seguir as instruções contidas na ficha de

atividade, anotando o número de diferenças entre as seqüências de

aminoácidos de cada animal na tabela correspondente.4. Com base nos números obtidos na tabela, os grupos devem

montar um cladograma, considerando que o grau de semelhança

entre moléculas de diferentes espécies pode refletir o grau de

parentesco evolutivo. O posicionamento dos animais no cladograma

deve, portanto, representar o parentesco evolutivo entre eles.

5. Para finalizar, peça aos grupos que discutam a seguinte afirmação,

baseando-se no resultado da atividade:

“Quanto mais semelhantes forem duas seqüências de aminoácidos,

maior é o grau de parentesco evolutivo entre as espécies que tiveram

suas proteínas analisadas”.

Uma vez que todos concordem com a afirmação, veja se a turma

consegue explicar por que ela está correta.

[Diferenças entre seqüências de aminoácidos refletem diferenças na

seqüência de nucleotídeos do DNA, uma vez que ele serve de molde



para a síntese protéica. Essas diferenças nas bases do DNA podem

ter aparecido como mutações, que foram se acumulando ao longo

das gerações em cada espécie. Se considerarmos que a taxa demutação dessa proteína é constante, duas espécies que tenham

surgido há pouco tempo (na escala evolutiva) a partir de um

ancestral comum devem ter tido menos tempo para acumular

mutações em seu material genético – suas proteínas devem ser

semelhantes.]

(Atividade adaptada de Evolution and the Nature of Science Institute. Beth

Kramer, 1998. www.indiana.edu/~ensiweb)

SUGESTÕES PARAAVALIAÇÃO

Ø Observe a participação dos grupos durante a atividade.

Ø Analise as respostas das questões constantes do Anexo 2, cujas

respostas estão no anexo 3.



ATENÇÃO: O nome e a seqüência de aminoácidos da proteína “Evolucina” são fictícios!

ANEXO 1

Ficha de atividade

Nome: ____________________________________________ Data:______________


1) Compare as seqüências de aminoácidos da proteína “EVOLUCINA”, extraída de cincoanimais de espécies diferentes. Conte o número de diferenças entre as seqüências e anoteos valores obtidos na tabela da página 2.

ANÁLISE DA PROTEÍNA “ EVOLUCINA”

Espéc ie A

TIR VAL GLU LIS ALA LEU GLU ALA PRO LEU VAL TRE TIR ILE LIS ASP GLU TRE SER LIS

Espéc ie B

ASP VAL GLU LIS ALA LEU G LU ALA PRO LEU VAL TRE TIR ILE LIS ASP GLU TRE SER LIS

Espéc ie CASP VAL GLU LIS ALA LEU GLU ALA PRO LEU VAL TRE TIR ILE LIS LIS GLU TRE SER LIS

Espéc ie D

ASP VAL GLU LIS ALA LEU GLU ALA PRO LEU VAL ALA TIR ILE LIS LIS GLU TRE SER LIS

Espéc ie E

ASP VAL GLU LIS ALA GLU GLU ALA PRO LEU VAL ALA TIR ILE LIS LIS GLU TRE SER LIS

Espéc ie F

ASP VAL ALA LIS ALA GLU GLU ALA GLU LEU VAL ALA TIR ILE LIS LIS GLU TRE LIS ILE



OBS.:Nome nc latura d os aminoác ido s e seus símb olos

2) Complete os espaços em branco da tabela com o número de diferenças na seqüência

de aminoácidos das proteínas dos animais listados:

Espéc ie E

Espécie D

Espécie C

Espéc ie B

Espécie A

Espéc ie F Espéc ie E Espéc ie D Espéc ie C Espéc ie B

Com base nos dados da tabela, construa um cladograma que represente o grau de

semelhança entre os seis animais. Cada passo do cladograma deve destacar o número de

diferenças entre os organismos. Utilize o espaço abaixo.

Leu = Leuc ina

Va l = Valina

Lis = LisinaSer = Serina

Ala = Alanina

Glu = Glutam ato (Ác ido

glutâmico)

Ile = Isoleucina

Tir = Tirosina

Tre = Treo nina

Pro = Prolina

Asp = Aspa rtat o (Ác ido

aspártico)



ANEXO 2

Questões para avaliação


1) No estudo das relações evolutivas entre dois organismos, verifica-se que os dados

moleculares, anatômicos e o registro fóssil apontam para um mesmo modelo de relações

evolutivas. Podemos confiar nesse modelo? Por quê?

2) Utilizando os dados moleculares que você tem em mãos, compare o parentesco evolutivo

entre as espécies.

3) A galinha e o peru são aves que possuem exatamente a mesma seqüência de aminoácidosna proteína citocromo-c (112 aminoácidos), uma enzima essencial ao processo de

respiração aeróbia. Proponha uma explicação para o fato de duas espécies diferentes

possuírem proteínas idênticas.

4) O mofo do pão (Neurospora sp.) e o levedo usado na fermentação para se fazer o pão e

bebidas alcoólicas (Saccharomyces sp) são fungos e possuem 40 diferenças na seqüência de

aminoácidos da proteína citocromo -c. O que esses dados podem sugerir a respeito das

relações evolutivas entre as duas espécies de fungos? Compare com o exemplo da galinha e

do peru.

5) Imagine que a proteína “Evolucina” seja na verdade um fragmento de hemoglobina. De

acordo com os resultados que você observou, animais de grupos distintos apresentam

diferenças na seqüência de aminoácidos. Você deve ter aprendido que a seqüência de

aminoácidos determina a “forma espacial” da proteína e a forma determina a sua função.

Elabore uma explicação para o fato da hemoglobina exercer a mesma função em todos os

animais do exercício, apesar de não possuírem seqüências de aminoácidos idênticas.

6) Considerando a hemoglobina humana, pode haver uma determinada mutação que provoca

substituição de apenas um certo aminoácido da cadeia polipeptídica e essa alteração

específica determina mudança na forma da proteína que deixa de exercer sua função.

Pessoas com essas hemoglobinas anômalas desenvolvem uma doença chamada anemia

falciforme. Elabore uma explicação para o fato da hemoglobina não exercer a mesma função

apesar de possuir apenas uma alteração específica nas seqüências de aminoácidos.



ANEXO 3

Gabarito da ficha de atividade

EVOLUÇÃO MOLECULARSugestão: os alunos podem marcar as seqüências com lápis coloridos, utilizando sempre a mesmacor para cada aminoácido. Por exemplo: todas as posições ocupadas pelo aminoácido Lisina sãopintadas de verde, e assim por diante. Dessa forma, os alunos poderão visualizar com facilidadequais são as posições da seqüência que se mantêm constantes em todos os animais e quais são asposições que apresentam variação.

Na tabela abaixo estão os valores obtidos nas comparações entre todas as espécies.

Espécie E 4

Espé c ie D 5 1

Espé c ie C 6 2 1

Espé c ie B 7 3 2 1

Espé c ie A 8 4 3 2 1

Espé c ie F Espé c ie E Espé c ie D Espé c ie C Espécie B

Cladograma construído a partir da análise da proteína “Evolucina”: os passos do cladogramadevem indicar o número de diferenças entre as proteínas de cada animal, de acordo com os valores

obtidos na tabela.

ESPÉCIE F ESPÉCIE E ESPÉCIE D ESPÉCIE C ESPÉCIE B ESPÉCIE A

1

1

1

14

Proteína “Evolucina” – seqüência primitiva



ANEXO 4

Respostas das questões para avaliação (anexo 3)

1) Podemos confiar no modelo proposto por se tratar de um exemplo de confirmaçãoindependente dos dados. Diferentes métodos de análise (registro fóssil, anatomiacomparada e análise molecular) apontaram para o mesmo padrão de relaçõesevolutivas, dando maior credibilidade ao modelo. É importante ressaltar, no entanto,que apesar de confiável, esse modelo poderá ser modificado caso se encontrem outrosdados que apontem para uma outra interpretação.

2) Quanto menor o número de diferenças, mais próximas são as espécies em termos

evolutivos.3) Não se pode tirar conclusões sobre parentesco evolutivo entre dois organismos

baseando-se apenas na análise de uma proteína. Muitos outros fatores devem serlevados em conta para determinar se dois organismos, como a galinha e o peru,pertencem a espécies diferentes, tais como: número de cromossomos, análise deoutras proteínas e de DNA, comparações na morfologia e anatomia, estudo daembriologia etc.

4) Baseando-se apenas nos dados fornecidos pela questão, eles podem sugerir que asduas aves possuem parentesco evolutivo muito mais próximo do que os dois fungostêm entre si. Recorrendo-se à classificação desses organismos, construída com baseem vários outros dados, corrobora-se essa interpretação pois a galinha e o perupertencem ao mesmo Reino (Metazoa), ao mesmo Filo (Chordata) e à mesma Classe(Aves), enquanto os dois fungos pertencem apenas ao mesmo Reino (Fungi), mas asDivisões – ou Filos – são distintas para o lêvedo (Ascomiceto) e o mofo do pão(Zigomiceto). A classificação dos seres vivos procura estabelecer da melhor maneirapossível as hipóteses de parentesco evolutivo e essas hipóteses podem sercorroboradas ou refutadas com base em novas informações sobre os organismos.

5) A comparação entre as seqüências mostrou que algumas regiões da proteína sãoidênticas em todas as espécies, enquanto outras regiões apresentam enorme variação.

Podemos concluir que as regiões da molécula de hemoglobina que não apresentamvariações na seqüência de aminoácidos são justamente aquelas que determinam aforma tridimensional da proteína, que é responsável pelo seu funcionamento. Damesma forma, as regiões que apresentam variação nos aminoácidos não devem afetaro funcionamento da enzima. Substituições de aminoácidos nessas posições sãofuncionalmente neutras. (Professor: leia o item “Princípios Básicos”).

6) Mutações não são sempre funcionalmente neutras. No caso da anemia falciforme, amutação provoca alteração em um aminoácido localizado em um ponto da molécula dehemoglobina que interfere na sua forma e consequentemente em sua função.

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