Biologia Molecular: princípios e prática

943 Pages·2012·329.381 MB·Portuguese

by  Michael M. Cox, Jennifer A. Doudna, Michael O’Donnell

Coordenação da tradução
Gaby Renard (Capítulos 2, 7, 17 e Glossário)
Pesquisadora da Quatro G Pesquisa e Desenvolvimento Ltda., TECNOPUC.
Mestre e Doutora em Ciências Biológicas: Bioquímica pela
Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS).
Equipe de tradução
Ana Christina de Oliveira Dias (Apêndice, Iniciais e Solução de Problemas)
Pesquisadora da Quatro G Pesquisa e Desenvolvimento Ltda., TECNOPUC.
Doutora em Medicina e Ciências da Saúde pela Pontifícia Universidade Católica
do Rio Grande do Sul (PUCRS).
Ardala Breda Andrade (Capítulos 3, 4, 5, 20 e Glossário)
Pesquisadora do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Tuberculose (INCT-TB)
e do Centro de Pesquisa em Biologia Molecular e Funcional/Instituto de Pesquisas
Biomédicas (CPBMF/IPB) da PUCRS.
Mestre e Doutora em Biologia Celular e Molecular pela PUCRS.
Cristiano Valim Bizarro (Capítulos 8, 21e22)
Pesquisador do INCT-TB e do CPBMF/IPB da PUCRS.
Mestre e Doutor em Biologia Celular e Molecular pela UFRGS.
Cristopher Zandoná Schneider (Capítulos 1, 14 e 19)
Professor e Pesquisador de Biologia Molecular e Microbiologia da Universidade
Federal da Integração Latino-Americana (UNILA).
Mestre e Doutor em Biologia Celular e Molecular pela UFRGS.
Denise Cantarelli Machado (Capítulos 9, 13 e 15)
Professora da Faculdade de Medicina e Pesquisadora do IPB da PUCRS.
Mestre em Genética pela UFRGS e Doutora em Imunologia
pela University of Sheffield, Inglaterra.
Gustavo Pelicioli Riboldi (Capítulos 11e12)
Pesquisador do Laboratório de Cocos Gram-Positivos e Microbiologia
Molecular da Universidade Federal em Ciências da Saúde de Porto Alegre (UFCSPA).
Mestre e Doutor em Biologia Celular e Molecular pela UFRGS.
Gustavo Roth (Índice)
Pesquisador da Quatro G Pesquisa e Desenvolvimento Ltda., TECNOPUC.
Mestre em Biologia Celular e Molecular pela PUCRS.
;
José Eduardo Sacconi Nunes (Indice)
Pesquisador da Quatro G Pesquisa e Desenvolvimento Ltda., TECNOPUC.
Mestre em Biologia Celular e Molecular pela PUCRS.
Leonardo Krás Borges Martinelli (Capítulos 16 e 18)
Mestre em Engenharia Biomédica e Doutor em Biologia Celular e
Molecular pela PUCRS.
Rosane Machado Scheibe (Capítulos 6 e 10)
Doutora em Biologia Molecular pela University of Sheffield, Inglaterra.
Michael M. Jennifer A. Michael
cox
DOU D NA O'DONNELL
University ofWisconsin-Madison University of California, Berkeley The Rockefeller University
Princípios e Técnicas
Consultoria, supervisão e revisão técnica desta edição:
GabyRenard
Pesquisadora da Quatro G Pesquisa & Desenvolvimento Ltda., TECNOPUC.
Mestre e Doutora em Ciências Biológicas: Bioquímica pela
Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS).
Jocelei Maria Chies
Pesquisadora da Quatro G Pesquisa e Desenvolvimento Ltda., TECNOPUC.
Doutora em Biologia Molecular pela Universidade de Brasília (UnB).
Versão impressa
desta obra: 2012
2012
Obra originalmente publicada sob o título
Molecular biology, principies and practice, lst Edition
ISBN 9780716779988 / 0716779986
First published in the United States by W.H.Freeman and Company, New York
Copyright ©2011 by W.H.Freeman and Company.
All rights reserved.
Arte sobre capa original: VS Digital Ltda.
Preparação de originais: Heloísa Stefan
Leitura final: Kátia Michele Lopes Aires
Editora responsável por esta obra: Simone de Fraga
Gerente editorial - Biociências: Letícia Bispo de Lima
Editoração eletrônica: Techbooks
C877b Cox, Michael M.
Biologia molecular [recurso eletrônico] : princípios e
prática I Michael M. Cox, Jennifer A. Doudna, Michael
O'Donnell; tradução: Gaby Renard ... [et al.] ; revisão
técnica: Gaby Renard, Jocelei Maria Chies. - Dados
eletrônicos. - Porto Alegre : Artmed, 2012.
Editado também como livro impresso em 2012.
ISBN 978-85-363-2741-9
1. Biologia molecular. I. Douda, Jennifer A.
II. O'Donnell, Michael. III. Título.
CDU577
Catalogação na publicação: Ana Paula M. Magnus - CRB 10/2052
Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à
ARTMED EDITORA LTDA., uma empresa do GRUPO A EDUCAÇÃO S.A.
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9004-0-340 - Porto Alegre - RS
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,
E proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer
formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web
e outros), sem permissão expressa da Editora.
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SAC 0800 703-3444 - www.grupoa.com.br
IMPRESSO NO BRASIL
PRINTED IN BRAZIL
Sobre os autores
Michael M. Cox nasceu em Wilmington, Delaware. Depois de se formar pela Univer
sidade de Delaware, ingressou na Universidade de Brandeis, para fazer seu doutorado
com William P. Jencks, e depois em Stanford, no pós-doutorado com I. Robert Lehman.
Atualmente é professor de bioquímica na Universidade de Wisconsin-Madison. Suas pes
quisas concentram-se em processos de reparo do DNA recombinante. Recebeu prêmios
por ensino e pesquisa, inclusive o prêmio Eli Lilly em bioquímica de 1989 da Socieda
de Americana de Química, e dois prêmios máximos como professor na Universidade de
Wisconsin. Foi coautor em quatro edições do livro Princípios de bioquímica de Lehninger.
Jennifer A. Doudna cresceu no Havaí e interessou-se por química e bioquímica no ensino
médio. Recebeu seu B.A. em bioquímica na Faculdade de Pomona e seu PhD na Univer
sidade de Harward, trabalhando no laboratório de Jack Szostak, com quem fez também o
pós-doutorado. Após, ingressou na Universidade do Colorado como bolsista de Lucille P.
Markey e colaboradora de Thomas Cech no pós-doutorado. Atualmente é professora de
biologia molecular e celular e também de química na Universidade de Berkeley, Califór-
,
nia, e pesquisadora no Instituto Médico Howard Hughes. E membro da Academia Nacio-
nal de Ciências, da Academia Americana de Artes e Ciências e do Instituto de Medicina.
Também é colaboradora da Associação Americana pelo Avanço da Ciência.
Michael O'Donnell cresceu em um bairro às margens do Rio Columbia na periferia de
Vancouver, Washington. Inspirou-se em vários professores da escola de ensino médio
Hudson Bay, os quais o conduziram ao caminho da ciência. Graduou-se em bioquímica
na Universidade de Portland e obteve o PhD na Universidade de Michigan, onde traba
lhou com Charles Williams Jr. em transferência de elétrons de flavoproteína tioredoxina
redutase. Fez seu pós-doutorado em replicação de E. coli com Arthur Kornberg e depois
em replicação de vírus herpes simples com I. Robert Lehman no Departamento de Bio
química da Universidade de Stanford. Atualmente é professor de bioquímica e biologia
estrutural na Universidade de Rockefeller e pesquisador no Instituto Médico Howard Hu-
,
ghes. E membro da Academia Nacional de Ciências.
Um dos desafios da investigação do cérebro é a absoluta
complexidade da rede neuronal. O rastreamento de um
neurônio a fim de elucidar suas conexões era praticamente
impossível até a introdução da tecnologia brainbow ("arco
-íris cerebral"). Os pesquisadores Jeff Lichtman, Jean Livet
e Joshua Sanes modificaram neurônios de ratos para que
indicassem genes para diferentes variantes coloridas da
Proteína Verde Fluorescente (GFP, à esquerda), que pri
meiramente foi isolada de uma água-viva luminescente. O
brainbow resultante é o testamento de nosso atual conhe
cimento de biologia molecular, da transcrição à recombi
nação até a regulamentação do desenvolvimento genético.
Aos nossos alunos, pela inspiração que
proporcionam a nós todos os dias, e aos nossos mestres, em
gratidão por suas orientações:
Tom Cech
Fred Grieman
Bill Jencks
Arthur Kornberg
Bob Lehman
Sharon Panasenko
David Sheppard
Jack Szostak
Hal White
Charles Williams
Agradeci m e n t a s
Esta obra representa nosso grande esforço no sentido de sintetizar este campo complexo e em constante evolução e contri
buir para as exigências cada vez mais amplas do ensino de biologia molecular do século XXI. Acolheremos seus comentá
rios e sugestões. Agradecemos aos diversos colegas cuja colaboração foi fundamental para sua concretização:
Akif Uzman, University ofH ouston-Downtown Karen Beemon, Johns Hopkins University
Amy Hark, Muhlenberg College Katsu Murakami, Pennsylvania State University
Anthony J. Otsuka, Illinois State University Kelly J. Cude, Western Washington University
Anuj Kumar, University ofM ichigan Konstantin Severinov, Rutgers University
Barbara Chadwick Hoopes, Colgate University Lillie L. Searles, University ofN orth Carolina- Chapei Hill
Byron J. Adams, Brigham Young University Lori L. Wallrath, University ofI owa
Carol S. Lin, Columbia University Manju M. Hingorani, Wesleyan University
Charles W. Putnum, University ofA rizona Margaret Hollingsworth, SUNY Buffalo
Claire A. Rinehart, Western Kentucky University Marie C. Pizzorno, Bucknell University
Claire Cronmiller, University o/Virgínia Melanie Cocco, University ofC alifornia, Irvine
Claus Tittiger, University ofN evada, Reno Melissa S. Jurica, University ofC alifornia, Santa Cruz
Constance Jeffery, University ofI llinois at Chicago Michele L. Engel, Claremont McKenna College
Craig Berezowsky, University ofB ritish Columbia Mitch McVey, Tufts University
Curtis M. Loer, University ofS an Diego Mitchell Chernin, Bucknell University
Daniel P. Herman, University ofWisconsin, Eau Claire Mitchell M. Holland, Pennsylvania State University
David C. Higgs, University ofWisconsin, Parkside Paul Cliften, Utah State University
David H. Price, University ofI owa Paul Keith Small, Eureka College
David K. Asch, Youngstown State University Phillip E. Ryals, University of West Florida
David Samols, Case Western Reserve University Prakash H. Bhuta, Eastern Washington University
David Shub, SUNY Albany Q. Tian Wang, University ofC alifornia, Berkeley
Donna L. Pattison, University ofH ouston Ravi Allada, Northwestern University
Elizabeth A. De Stasio, Lawrence University Rey A. Sia, SUNY Brockport
Frank Naya, Boston University Robert Osuna, SUNY Albany
Gary R. Skuse, Rochester Institute ofTechnology Samuel Galewsky, Millikin University
Gerry A. Prody, Western Washington University Sandra Berry-Lowe, University ofC olorado,
Hong Li, Florida State University Colorado Springs
James B. Olesen, Ball State University Scott Moye-Rowley, University ofI owa
Jeff DeJong, University o/Texas, Dallas Steven Ackerman, University ofM assachusetts Boston
Jeffrey Fillingham, Ryerson University Sumana Datta, Texas A&M University
Joanna Wysocka-Diller, Auburn University Susan T. Lovett, Brandeis University
Judith L. Campbell, California Institute ofT echnology Thomas Geoghegan, University ofL ouisville
Justin P. Kumar, Indiana University Veronica Pereira, University o/Toronto, Mississauga
x
Agradecimentos
Este livro não teria sido possível
sem o apoio de nossos editores na
W. H. Freeman. Uma obra desta
qualidade é um empreendimen-
to medido não apenas por horas,
mas por noites em claro, prazos quase expirados, reuniões por telefone e frivolidades
Da esquerda para a direita: Adam
,
ocasionais. E uma aventura na qual professores algumas vezes se transformam em alu-
Steinberg, Mike Cox, Betsy Dilernia,
nos. A orientação necessária foi fornecida por uma equipe de editores excepcionalmen
Kate Ahr Parker, Erica Pantages
te talentosos. Kate Ahr Parker acompanhou o esforço desde o início. Poucas pessoas Frost, Jennifer Doudna, Erica Cham
são tão dotadas na arte de administrar urgências com tamanha graça. Erica Frost, Erica pion e Mike O'Donnel l.
Champion e Betsy Dilernia foram nossas editoras de desenvolvimento. Guiados por
suas competentes mãos, os primeiros rascunhos de capítulos foram criados, retraba
lhados, destruídos e, às vezes, eliminados. Elas nos encorajaram e assinalaram nossas
dificuldades. Foram nossas parceiras desde o começo, analisando cada palavra que
produzíamos. À medida que o projeto avançava, o conteúdo era lapidado e os capítu
los iam sendo incorporados com o auxílio de Brook Soltvedt e Linda Strange. Ambos
são veteranos da série Bioquímica de Lehninger, e seus conhecimentos acrescentaram
imensurável contribuição ao produto final. Enfim, gerenciaram a impressionante proe
za de fundir três vozes em uma. Agradecemos imensamente a todos os editores por sua
dedicação a este projeto. Tivemos a sorte de ter tido o benefício de seu discernimento
e habilidade.
O projeto gráfico desenvolvido para este livro consistiu em um trabalho de amor
feito por Adam Steinberg e pelos artistas da Dragonfly Media. Adam também é um
veterano do Princípios de bioquímica de Lehninger, e sua experiência e habilidade são
evidentes em praticamente todas as páginas deste livro. Ele trabalhou em conjunto com
os autores na criação de ilustrações que transmitissem conceitos em um estilo conciso
e unificado.
Nossos agradecimentos também para os consagrados profissionais que assegura
ram a produção de alta qualidade do livro: a diretora de arte Diana Blume; a editora
de projeto Jane O'Neill; a coordenadora de produção Susan Wein; o coordenador de
ilustração sênior Bill Page; a editora de fotografia Cecilia Varas; a pesquisadora de foto
grafia Elyse Rieder; e os editores de mídia e suplementos J. D. Bullard, Patrick Shriner e
Marni Rolfes. Apreciamos imensamente sua flexibilidade e criatividade com materiais
complexos e constantes trocas de planejamento.
Expressamos nossa admiração por nossos colegas, amigos e familiares pela paciên-
• •
eia e apoio.
Por último, agradecemos aos autores dos Momento de Descoberta, que comparti
lharam um pouco dos momentos favoritos de suas carreiras científicas conosco. Cada
um dispensou tempo e esforço preciosos para este projeto, ajudando-nos a acrescentar
um toque pessoal a cada capítulo.
Michael M. Cox
Jennifer A. Doudna
Michael O'Donnell
Prefácio
C
omo professores, sabemos que o ensino científico universitário está evoluindo. Apenas transmitir fatos não produz
um estudante cientificamente instruído, uma percepção há muito sustentada e agora reforçada por diversos estudos.
Pesquisadores precisam de mais: uma melhor orientação sobre o que é ciência e como ela é feita, uma apresentação clara
de conceitos-chave que alcancem mais do que a explanação de detalhes, uma articulação dos argumentos filosóficos da
disciplina científica ao alcance, exercícios que exijam análise de dados reais e o exame das contribuições da ciência para o
bem-estar da humanidade por todo o mundo. Enquanto professores universitários avançam em direção a essas mudanças,
deparamo-nos com um crescente número de estudantes e com cada vez menos recursos. Como podemos fazer mais com
menos?
Livros-texto são uma parte importante da equação. Um bom livro-texto deve ser agora mais do que um guia para a
informação que caracteriza uma disciplina. Para quem leciona, um livro deve organizar a informação, incorporar ferra
mentas de avaliação e disponibilizar recursos que ajudem a trazer a disciplina à vida. Para os estudantes, um livro deve
associar a ciência às experiências cotidianas, destacar os conceitos principais e mostrar os processos que os geraram.
Este livro teve sua origem em um encontro dos autores em Napa Valley em janeiro de 2006. Desde o início estabelece
mos objetivos ambiciosos a fim de direcionar os principais desafios que encontramos como professores:
Os estudantes enxergam a ciência como um conjunto de fatos, e não como um esforço humano constante. A biologia molecu
lar tem muitas grandes histórias para contar: queremos transmitir a empolgação que a norteia, a criatividade na bancada
e o entusiasmo que toma conta à medida que se revelam os resultados de um novo processo biológico. Esse assunto é
estabelecido no primeiro capítulo, dedicado em boa parte a uma introdução ao processo científico. Todo capítulo começa
então com um Momento de Descoberta, destacando o relato do próprio pesquisador sobre um momento memorável em
sua carreira. Após o Capítulo 1, todo capítulo termina com uma seção Como Sabemos, contando histórias do caminho
frequentemente tortuoso que leva a um novo insight. Relatos extras - cientistas em ação - são apresentados nos textos e
nos destaques que os acompanham. À medida que os estudantes virarem as páginas, os laboratórios e pessoas por detrás
das descobertas estarão mais próximos.
•
A Regulação da Expressão
Gênica em Bactérias
MOMENTO DE DESCOBERTA (QUADRO 20)
~
Momento de descoberta Rupturas científicas representam o final divertido para um
A ciência, paía mim, cstâ telacionada com
bocado de trabalho duro. Cada capítulo abre com a des
aqueles momentos de clatcza, quando anos
de dificuldade para desvendar algo final·
crição de uma ruptura significativa na biologia molecular,
mente são compensados por uma desco
betta inacteditâvcl sobre como a natureza
relatada pelo cientista que fez a descoberta. Os cientistas
funciona. Sou fascinada pelo modo como as
células bacterianas se comunicam umas com
destacados aqui são Norm Arnheim, Bonnie Bassler, Steve
as outtas por um processo conhecido c-0mo
pctcepção de quorum. Pelo processo de pct
ccpção de quorum, as bactérias sintetizam, Benner, James Berger, Carlos Bustamante, Jamie Cate, Joe
liberam e detectam moléculas sinalizadoras
químicas que aumentam em conccnttação DeRisi, Myron Goodman, Lin He, Tracy Johnson, Melissa
na proporção cm que aumenta o nümcro de
células na populaç.ão. As células tcspondcm Jurica, Judith Kimble, Judith Klinman, Robert Lehman, Tim
Bonni~ Bassler Itonte: Fotografia de Paul
a esses compostos quimicos com alterações
Fetters.] 20.1 Regulaçãoda
sincronizadas no comportamento da popula·
Lohman, Steve Mayo, Harry Noller, Lorraine Symington,
transcrição 698
ção; o compoftamento comunitário permite
que as bactérias desempenhem funções que jamais seriam possiveis para uma única 20.2 Além da transcrição:
Jack Szostak, Robert Tjian, Jonathan W idom e Wei Yang.
bactéria. Suspeitávamos que a evolução da comunicação entre as c-élulas nas bactérias controle de outras
fosse uma das primeiras etapas no desenvolvimento de organismos multicelulares. etapas além da
Vibrjo hotveyi é uma bactéria marinha biolumlnescente gram-negativa que regula a via de expressão
geração de luz em resposta a dois "sinalizadores" (ou autoindutores} químicos distintos. ênica 712