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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. Av. Jerônimo de Ornelas, 670 - Santana 9004-0-340 - Porto Alegre - RS Fone: (51) 3027-7000 Fax: (51) 3027-7070 , 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. Unidade São Paulo Av. Embaixador Macedo Soares, 10.735 - Pavilhão 5 - Cond. Espace Center Vila Anastácio - 05095-035 - São Paulo - SP Fone: (11) 3665-1100 Fax: (11) 3667-1333 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