EVOLUÇÃO MOLECULAR
Vivian Lavander Mendonça e Sônia Lopes (agosto de 2003)
TEMA
Biologia molecular e evolução dos seres vivos
•
CONCEITOS
RELACIONADOS
Estudo das relações evolutivas, em que graus de semelhança por
homologia são interpretados como graus de parentesco
evolutivo.
Ø Compreender a importância dos dados moleculares como uma
ferramenta auxiliar no estudo das relações filogenéticas entre os
OBJETIVOS
seres vivos. A análise molecular pode confirmar ou refutar o que
a análise anatômica sugere ou fornecer pistas para os casos em
que a filogenia de um determinado grupo de ser vivo não está
bem definida para os pesquisadores.
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
ESTRATÉGIAS DE
ENSINO
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 são
analisados exemplos de mutações que alteram a função de um gene
e a produção de proteínas.
BIOLOGIA MOLECULAR E FILOGENIA
PRINCÍPIOS
BÁSICOS
Adaptado de:
Purves et al. 1997.
Life, the science of
biology,
O estudo das relações evolutivas entre os seres vivos avançou muito após a
descoberta do papel do DNA na determinação da hereditariedade. Os
avanços na área bioquímica permitiram compreender quais eram os
mecanismos responsáveis pelas modificações de características ao longo das
gerações. Essas características, interpretadas como adaptações ao
ambiente, eram a chave para a idéia de seleção natural proposta por
Charles Darwin.
Sinauer Associates
&Freeman, EUA.
Assim como a morfologia de um organismo, as suas moléculas também são
características hereditárias. E a evolução dos seres vivos não seria possível
se o material genético herdado de seus ancestrais não sofresse alterações.
Chamamos de Evolução Molecular a área de estudos que procura determinar
os processos envolvidos nas alterações das moléculas encontradas nos seres
vivos e estabelecer padrões para essas alterações ao longo da escala
evolutiva de tempo. Essa área de estudo depende de técnicas de laboratório
que permitem o sequenciamento de proteínas e ácidos nucléicos. O estudo
comparativo de DNA, RNA e proteínas pode fornecer indícios sobre relações
filogenéticas entre grupos de seres vivos. Para isso, moléculas retiradas de
seres vivos de grupos diferentes são seqüenciadas e comparadas. Alguns
pesquisadores utilizam os princípios da cladística para realizar as
comparações: eles procuram determinar quais seriam as condições ancestral
e derivada da molécula analisada e constroem cladogramas a partir das
condições derivadas.
Sabemos que mutações no material genético podem ocorrer por vários
processos e que essas alterações podem ser transmitidas às próximas
gerações se as células da linhagem germinativa forem afetadas. Mutações
podem ocorrer de diversas maneiras, como perda ou substituições de
nucleotídeos no DNA no momento de sua duplicação. As perdas acabam
determinando alterações em toda a seqüência de nucleotídeos a partir do
ponto onde ocorreu. As substituições podem ou não provocar alterações na
seqüência de aminoácidos e comprometer a forma e a função da proteína.
Vamos analisar os casos em que a alteração da seqüência original de
aminoácidos não modifica a forma e a função da proteína. É o que se
observa quando comparamos um gene e uma proteína encontrados em
diferentes espécies: apesar das variações na seqüência de nucleotídeos e de
aminoácidos, a proteína possui o mesmo arranjo espacial e pode exercer
função 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 insulina
está presente em todos os mamíferos e em outros animais vertebrados; nos
invertebrados, foram identificados hormônios muito semelhantes à insulina
em sua estrutura, embora não se tenha definido sua função em alguns
grupos.
A insulina foi a primeira proteína a ter sua seqüência de aminoácidos
determinada. A comparação entre a insulina de diferentes mamíferos
mostrou que algumas regiões da molécula são idênticas em todas as
espécies, enquanto outras regiões apresentam variação. Essas variações, no
entanto, não comprometem a função da proteína – uma prova disso é que
insulina extraída de porcos ou coelhos era administrada a seres humanos
com diabetes (do tipo insulina- dependente) com baixa ocorrência de
rejeição pelos pacientes.
As diferenças entre as seqüências de aminoácidos da insulina de mamíferos
estão restritas a três posições da cadeia. Os cientistas concluíram que
mudanças de aminoácidos nessas três posições não afetam a estrutura e o
funcionamento
da
insulina.
Conseqüentemente,
substituições
de
aminoácidos nessas posições são funcionalmente neutras. Da mesma
forma, concluiu- se que as regiões da molécula de insulina que não
apresentam variações na seqüência de aminoácidos são justamente aquelas
que determinam a forma tridimensional da proteína e garantem a sua
função.
O mesmo padrão foi encontrado no estudo comparativo de outras
moléculas, como o citocromo c, enzima da cadeia respiratória. Comparandose a estrutura do citocromo c de seres diversos, verificou- se que as
substituições de aminoácidos estão concentradas em regiões específicas da
molécula que não influenciam a sua função e por isso são consideradas
substituições neutras. Portanto, a variabilidade que pode ser encontrada na
estrutura de uma molécula não corresponde necessariamente a uma
variabilidade de funções.
Como as substituições neutras não afetam a função da molécula, elas não
representam ameaça à sobrevivência do organismo e não são excluídas por
seleção natural. As substituições de nucleotídeos (no DNA ou RNA) e de
aminoácidos (nas proteínas) são portanto determinadas por uma taxa
natural de mutações que ocorre nas moléculas ao longo do tempo.
Os cientistas utilizam esse ritmo constante de mutação em uma molécula
como um relógio molecular. Vamos imaginar que a proteína “x” está
presente em todos os vertebrados e foi feita uma análise comp arativa de “x”
entre eles. O número de diferenças na seqüência de aminoácidos entre
peixes e anfíbios pode ser relacionado com o período da história da Terra em
que anfíbios divergiram do grupo dos peixes (informação determinada pelo
estudo de fósseis e pela comparação de anfíbios e peixes atuais). Fazendo
essa mesma relação com os outros grupos de vertebrados, podemos calcular
a 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 condições
derivadas. Se a taxa de mutação calculada for constante, teremos o relógio
molecular da proteína “x”, que servirá como mais uma ferramenta no
processo de estimar quando determinados eventos aconteceram na história
evolutiva da Terra.
Vamos considerar que duas espécies de mamíferos possuem um número
relativamente pequeno de diferenças na seqüência de aminoácidos da
hemoglobina; essa proteína possui uma taxa constante de mutação,
então podemos deduzir que essas espécies divergiram a partir de um
ancestral comum em um período recente da escala evolutiva. Se a formação
dessas duas espécies a partir de um ancestral comum tivesse ocorrido há
mais tempo, um número maior de mutações teria aparecido em seus genes
e as diferenças de aminoácidos da hemoglobina de cada espécie seriam
maiores.
É importante ressaltar que cada proteína apresenta uma taxa de mutação
diferente e, em alguns casos, regiões distintas da mesma molécula possuem
ritmos 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 podem
fornecer boas hipóteses? Quanto mais características forem utilizadas na
dedução 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
1. Ficha de atividade (anexo 1)
2. Sugestão de avaliação da atividade (anexo 2)
MATERIAIS
NECESSÁRIOS
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)
1. A atividade pode ser realizada individualmente ou em pequenos
grupos (3 a 4 alunos).
PROCEDIMENTOS 2. Distribua para cada aluno ou grupo uma cópia da ficha de
atividade (anexo 1). Nessa ficha encontram-se seqüências de
aminoácidos 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 c onsiderarmos que a taxa de
mutação 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)
Ø Observe a participação dos grupos durante a atividade.
SUGESTÕES PARA Ø Analise as respostas das questões constantes do Anexo 2, cujas
AVALIAÇÃO
respostas estão no anexo 3.
ANEXO 1
Ficha de atividade
Nome: ____________________________________________ Data:______________
EVOLUÇÃO MOLECULAR
1) Compare as seqüências de aminoácidos da proteína “EVOLUCINA”, extraída de cinco
animais de espécies diferentes. Conte o número de diferenças entre as seqüências e anote
os valores obtidos na tabela da página 2.
ATENÇÃO: O nome e a seqüência de aminoácidos da proteína “Evolucina” são fictícios!
ANÁLISE DA PROTEÍNA “EVOLUCINA”
Espécie A
TIR
VAL
GLU LIS
ALA
LEU
GLU ALA
PRO
LEU
VAL TRE
TIR
ILE
LIS
ASP
GLU
TRE
SER
LIS
ALA
LEU
GLU ALA
PRO
LEU
VAL TRE
TIR
ILE
LIS
ASP
GLU
TRE
SER
LIS
ALA
LEU
GLU ALA
PRO
LEU
VAL TRE
TIR
ILE
LIS
LIS
GLU
TRE
SER
LIS
ALA
LEU
GLU ALA
PRO
LEU
VAL ALA
TIR
ILE
LIS
LIS
GLU
TRE
SER
LIS
ALA
GLU GLU ALA
PRO
LEU
VAL ALA
TIR
ILE
LIS
LIS
GLU
TRE
SER
LIS
ALA
GLU GLU ALA
GLU
LEU
VAL ALA
TIR
ILE
LIS
LIS
GLU
TRE
LIS
ILE
Espécie B
ASP
VAL
GLU LIS
Espécie C
ASP
VAL
GLU LIS
Espécie D
ASP
VAL
GLU LIS
Espécie E
ASP
VAL
GLU LIS
Espécie F
ASP
VAL ALA LIS
Leu = Leucina
OBS.:
Nomenclatura dos aminoácidos e seus símbolos
Val = Valina
Lis = Lisina
Ser = Serina
Ala = Alanina
Glu = Glutamato (Ácido
glutâmico)
Ile = Isoleucina
Tir = Tirosina
Tre = Treonina
Pro = Prolina
Asp = Aspartato (Ácido
aspártico)
2) Complete os espaços em branco da tabela com o número de diferenças na seqüência
de aminoácidos das proteínas dos animais listados:
Espécie E
Espécie D
Espécie C
Espécie B
Espécie A
Espécie F
Espécie E
Espécie D
Espécie C
Espécie 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.
ANEXO 2
Questões para avaliação
EVOLUÇÃO MOLECULAR
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 aminoácidos
na 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 MOLECULAR
Sugestão : os alunos podem marcar as seqüências com lápis coloridos, utilizando sempre a mesma
cor para cada aminoácido. Por exemplo: todas as posições ocupadas pelo aminoácido Lisina são
pintadas de verde, e assim por diante. Dessa forma, os alunos poderão visualizar com facilidade
quais são as posições da seqüência que se mantêm constantes em todos os animais e quais são as
posições que apresentam variação.
Na tabela abaixo estão os valores obtidos nas comparações entre todas as espécies.
Espécie E
4
Espécie D
5
1
Espécie C
6
2
1
Espécie B
7
3
2
1
Espécie A
8
4
3
2
1
Espécie F
Espécie E
Espécie D
Espécie C
Espécie B
Cladograma construído a partir da análise da proteína “Evolucina”: os passos do cladograma
devem 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
1
4
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 confirmação
independente dos dados. Diferentes métodos de análise (registro fóssil, anatomia
comparada e análise molecular) apontaram para o mesmo padrão de relações
evolutivas, dando maior credibilidade ao modelo. É importante ressaltar, no entanto,
que apesar de confiável, esse modelo poderá ser modificado caso se encontrem outros
dados 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 ser
levados em conta para determinar se dois organismos, como a galinha e o peru,
pertencem a espécies diferentes, tais como: número de cromossomos, análise de
outras proteínas e de DNA, comparações na morfologia e anatomia, estudo da
embriologia etc.
4) Baseando -se apenas nos dados fornecidos pela questão, eles podem sugerir que as
duas aves possuem parentesco evolutivo muito mais próximo do que os dois fungos
têm entre si. Recorrendo-se à classificação desses organismos, construída com base
em vários outros dados, corrobora-se essa interpretação pois a galinha e o peru
pertencem ao mesmo Reino (Metazoa), ao mesmo Filo (Chordata) e à mesma Classe
(Aves), enquanto os dois fungos pertencem apenas ao mesmo Reino (Fungi), mas as
Divisões – ou Filos – são distintas para o lêvedo (Ascomiceto) e o mofo do pão
(Zigomiceto). A classificação dos seres vivos procura estabelecer da melhor maneira
possível as hipóteses de parentesco evolutivo e essas hipóteses podem ser
corroboradas ou refutadas com base em novas informações sobre os organismos.
5) A comparação entre as seqüências mostrou que algumas regiões da proteína são
idênticas em todas as espécies, enquanto outras regiões apresentam enorme variação.
Podemos concluir que as regiões da molécula de hemoglobina que não apresentam
variações na seqüência de aminoácidos são justamente aquelas que determinam a
forma tridimensional da proteína, que é responsável pelo seu funcionamento. Da
mesma forma, as regiões que apresentam variação nos aminoácidos não devem afetar
o funcionamento da enzima. Substituições de aminoácidos nessas posições são
funcionalmente neutras. (Professor: leia o item “Princípios Básicos”).
6) Mutações não são sempre funcionalmente neutras. No caso da anemia falciforme, a
mutação provoca alteração em um aminoácido localizado em um ponto da molécula de
hemoglobina que interfere na sua forma e consequentemente em sua função.