Biofísica. Transporte passivo. Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr Dr. Walter F. de Azevedo Jr.

Transcrição

1 2018 Dr. Walter F. de Azevedo Jr. Biofísica Transporte passivo Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr. 1

2 Modelo de Mosaico Fluido Ao lado temos um desenho de uma célula animal, quando falamos da membrana celular (membrana plasmática), estamos nos referindo ao seu envoltório, a barreira física que separa a célula do meio ambiente. A membrana apresenta uma espessura aproximada de 60 Å ( m), enquanto uma célula típica tem dimensões entre 1 m e 100 m (micrômetros, 1 μm = 10-6 m ), ou seja, no mínimo mil vezes maior que a espessura da membrana celular. Tenha em mente o conceito de célula no estudo dos fenômenos elétricos da célula. 2 Diagrama esquemático com os componentes de uma célula animal. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de 2018.

3 Modelo de Mosaico Fluido Resumindo, a célula é envolvida por um manto que chamamos de membrana plasmática ou membrana celular. A espessura da membrana é tipicamente milhares de vezes menor que a célula, como podemos ver no desenho ao lado. Disponível em : Acesso em: 03 de setembro de

4 Modelo de Mosaico Fluido A principal função da membrana celular é manter moléculas tão diversas como proteínas e pequenos solutos no interior da célula. A membrana funciona para regular seletivamente sua permeabilidade, ou seja, a facilidade com a qual moléculas e íons atravessam a membrana. O estudo da composição da membrana faz uso de diversas técnicas físicas, discutiremos a seguir o Modelo de Mosaico Fluido da membrana. No livro de Oparin, A Origem da Vida, ele propôs que para qualquer forma de vida, é necessária a presença de uma barreira, que separe a parte viva do meio que a cerca. Esse trabalho destaca a necessidade de uma membrana para isolar, até mesmo as formas de vida mais simples, do meio exterior. 4 Modelo computacional da bicamada fosfolipídica da membrana celular. Figura gerada com o programa Visual Molecular Dynamics (VMD) as coordenadas atômicas para a bicamada fosfolipídica foram obtidas do site: Acesso em: 03 de setembro de 2018

5 Modelo de Mosaico Fluido Em 1972, Singer e Nicolson propuseram um modelo para a membrana celular, chamado de Modelo de Mosaico Fluido. Nesse modelo temos a bicamada lipídica, onde encontram-se inseridas proteínas. O modelo prevê duas formas de proteínas inseridas na membrana, uma que atravessa toda a membrana, chamada proteína intrínseca, ou transmembranar. A segunda forma de proteína, localiza-se parcialmente inserida na membrana, sendo encontrada tanto no exterior como voltada para o citoplasma. Tal forma de proteína é chamada extrínseca. Referência : Singer SJ, Nicolson GL. Science ;175(23): Proteína extrínseca Proteína intrínseca, ou transmembrana O Modelo de Mosaico Fluido indica dois tipos de proteínas inseridas na bicamada lipídica (elipsóides cinzas). A proteína da esquerda é uma proteína extrínseca e a da direita uma proteína intrínseca. Os fosfolipídios são indicados com a cabeça polar em preto e, a cauda hidrofóbica, pelas linhas que saem da esfera preta. 5

6 Modelo de Mosaico Fluido O Modelo de Mosaico Fluido prevê a passagem seletiva de íons pelas proteínas intrínsecas. Entre as proteínas intrínsecas temos os canais iônicos e as bombas iônicas. Outra característica do modelo, é liberdade de movimentação das proteínas na bicamada lipídica. De acordo com as características básicas do modelo, estrutura em mosaico e difusão, previu-se a liberdade lateral e rotatória, assim como a distribuição aleatória de componentes moleculares na membrana celular. Moléculas apolares podem atravessar a bicamada, já íons ficam retidos na bicamada precisando da ação das proteínas transmembranares para sua passagem. Proteína extrínseca Proteína intrínseca, ou transmembrana O Modelo de Mosaico Fluido indica dois tipos de proteínas inseridas na bicamada lipídica (elipsóides cinzas). A proteína da esquerda é uma proteína extrínseca e a da direita uma proteína intrínseca. Os fosfolipídios são indicados com a cabeça polar em preto e, a cauda hidrofóbica, pelas linhas que saem da esfera preta. 6

7 Modelo de Mosaico Fluido Resumindo, a membrana celular funciona como uma barreira seletiva entre os meios intracelular e extracelular. Na estrutura da membrana, destaca-se a bicamada fosfolipídica, com proteínas inseridas (modelo de mosaico fluido). Além das proteínas, há ainda carboidratos ligados aos fosfolipídios e às proteínas e moléculas de colesterol inseridas na bicamada. Glicolipídio Glicoproteína Proteína Extrínseca Canal Iônico Colesterol Glicolipídio Proteína Extrínseca Meio extracelular Núcleo Citoplasma Proteína Intrínseca Citoesqueleto Proteína Extrínseca Hélice Bicamada Membrana celular. Imagem disponível em: < er/file:cell_membrane_detailed_diagram_en.svg >. Acesso em: 03 de setembro de

8 Modelo de Mosaico Fluido (Glossário) Termo Carboidratos (glicoproteínas glicolipídios) e Função biológica Na membrana, os carboidratos aparecem ligados covalentemente aos lipídios (glicolipídios) e às proteínas (glicoproteínas). Participam da interação célula-célula, reconhecimento molecular e crescimento celular. O processo de ligação do carboidrato à proteína o lipídio é chamado glicosilação. Canal iônico Proteína Extrínseca Glicoproteína Meio Extracelular Carboidrato Cabeças Polares Biocamada Fosfolipídica Colesterol Glicolipídio Proteína Intrínseca Proteína Extrínseca Fosfolipídio Proteína Extrínseca Filamentos do Citoesqueleto Citoplasma Trecho em Hélice Alfa Cauda Hidrofóbica 8

9 Modelo de Mosaico Fluido (Glossário) Termo Proteína extrínseca Proteína intrínseca Canal iônico Proteína Extrínseca Função biológica Proteína parcialmente inserida na bicamada fosfolipídica, podendo está voltada tanto para o meio extracelular como para o meio intracelular. Exemplos de proteínas extrínsecas são proteínas G e enzimas que ficam parcialmente inseridas na bicamada, como a fosfodiesterase. Essas proteínas atravessam toda extensão da bicamada fosfolipídica, possibilitando comunicação entre os meios intracelular e extracelular. Os canais iônicos e bombas iônicas são exemplos de proteínas intrínsecas. Glicoproteína Meio Extracelular Carboidrato Cabeças Polares Biocamada Fosfolipídica Colesterol Glicolipídio Proteína Intrínseca Proteína Extrínseca Fosfolipídio Proteína Extrínseca Filamentos do Citoesqueleto Citoplasma Trecho em Hélice Alfa Cauda Hidrofóbica 9

10 Modelo de Mosaico Fluido (Glossário) Termo Colesterol Função biológica É responsável por manter a integridade da membrana e modula a sua fluidez. Sua parte polar interage com a cabeça polar dos fosfolipídios e, sua porção hidrofóbica, interage com as caudas hidrofóbicas dos fosfolipídios. Sua molécula apresenta um sistema de anéis, que reduz a fluidez da membrana. Canal iônico Proteína Extrínseca Glicoproteína Meio Extracelular Carboidrato Cabeças Polares Biocamada Fosfolipídica Colesterol Glicolipídio Proteína Intrínseca Proteína Extrínseca Fosfolipídio Proteína Extrínseca Filamentos do Citoesqueleto Citoplasma Trecho em Hélice Alfa Cauda Hidrofóbica

11 Modelo de Mosaico Fluido (Glossário) Termo Função biológica Citoesqueleto Encontrado no citoplasma, fornece a base para o ancoragem de proteínas e a formação de organelas que se estendem da célula. Apresenta uma composição proteica. Em células eucarióticas são encontradas as proteínas actina e tubulina na sua formação. Canal iônico Proteína Extrínseca Glicoproteína Meio Extracelular Carboidrato Cabeças Polares Biocamada Fosfolipídica Colesterol Glicolipídio Proteína Intrínseca Proteína Extrínseca Fosfolipídio Proteína Extrínseca Filamentos do Citoesqueleto Citoplasma Trecho em Hélice Alfa Cauda Hidrofóbica 11

12 Fosfolipídios Biomembranas são baseadas principalmente em lipídios, com predominância de fosfolipídios. A estrutura química geral de uma molécula de fosfolipídio é mostrada ao lado (figura a). Tal molécula é basicamente um glicerol (figura b), sobre o qual foram ligadas as cadeias de ácidos graxos (R 1 e R 2 ). O grupo fosfato permite a ligação covalente de outra molécula, designada na figura por pelo grupo X. Um dos ácidos graxos típicos encontrados nos fosfolipídios é chamado ácido palmítico (figura c). c) O a) O CH 2 CH CH 2 O P O X O O C C O R 1 R 2 b) Fosfolipídio O - H HO CH 2 C CH 2 OH OH Glicerol Ácido palmítico 12

13 Fosfolipídios A molécula de ácido palmítico (ou ácido hexadecanóico) apresenta 16 carbonos e 31 hidrogênios. Tal ácido graxo é dito saturado, pois apresenta o maior número possível de hidrogênios ligados. A presença de ligações duplas na cadeia de ácido graxo indica que o mesmo é não saturado. As duas cadeias R 1 e R 2 não precisam ser homogêneas, ou seja, podem apresentar cadeias de tamanhos distintos. Nos fosfolipídios, uma parte da molécula é polar, a cabeça hidrofílica ou polar, e a parte apolar é composta pelas duas cadeias de ácidos graxos. O diagrama esquemático ao lado ilustra uma molécula de fosfolipídio. Moléculas que apresentam parte polar e parte hidrofóbica são chamadas anfipáticas. Na figura da abaixo temos a representação CPK do fosfolipídio. Cabeça polar Cabeça polar Caudas hidrofóbicas Caudas hidrofóbicas 13

14 Hidrofílica Hidrofóbica Hidrofílica Modelo Computacional da Membrana Celular Diversos modelos computacionais de biomembranas foram construídos e submetidos à simulação de dinâmica molecular. Na dinâmica molecular, podemos simular computacionalmente aspectos sobre a mobilidade dos sistemas moleculares, de forma que a interação da bicamada fosfolipídica com moléculas de água pode ser analisada. Tais simulações usam diferentes componentes para a formação da bicamada, no exemplo ao lado foram usadas moléculas de 1- palmitoil-2-oleoil-sn-glicerol-3- fosfatidilcolina, formando uma caixa retangular, onde temos moléculas de água interagindo com a parte polar da bicamada. No modelo computacional, vemos claramente que as caudas hidrofóbicas não interagem com as moléculas d água. Modelo computacional da membrana 14

15 Modelo Computacional da Membrana Celular Abaixo temos a descrição da montagem do modelo computacional da bicamada fosfolipídica. Fosfolipídio original Bicamada fosfolipídica Bicamada fosfolipídica com água Fosfolipídio transladado 1) Montagem do fosfolipídio. Podemos usar as coordenadas atômicas de um fosfolipídio, obtidas experimentalmente e otimizar a estrutura tridimensional computacionalmente. As coordenadas atômicas do fosfolipídio podem ser determinadas por cristalografia. 2) Montagem da monocamada. As coordenadas atômicas do fosfolipídio original são movimentadas gerando cópias da molécula original, só que em outra posição. O processo de cópia é gerado aplicando-se operações matemáticas simples sobre as coordenadas atômicas do fosfoliídio. 3) Montagem da bicamada. Após o descolamento de dezenas de fosfolipídios, temos um modelo da bicamada fosfolipídica. O modelo acima apresenta 128 moléculas, 64 em cada camada. 4) Montagem da bicamada com moléculas de água. Moléculas de água são distribuídas aleatoriamente na estrutura da bicamada. Após a simulação de dinâmica molecular, as moléculas de água localizamse nas partes hidrofílicas, como mostrado acima, 15

16 Hidrofílica Hidrofóbica Hidrofílica Hidrofílica Hidrofóbica Hidrofílica Modelo Computacional da Membrana Celular Podemos pensar que o modelo computacional representa um fatia da membrana celular, sem a presença de proteínas. É como se tivéssemos cortado uma fatia em formato de cubo da biomembrana. Na simulação computacional da membrana, as moléculas de água posicionam-se nas regiões polares, como era de se esperar. A vantagem da simulação computacional, é que uma vez confirmada a capacidade de simulação de aspectos conhecidos, como a interação com água, podemos adicionar moléculas aos sistemas e prever seu comportamento. Por exemplo, podemos prever qual o comportamento de fármacos com a bicamada. Tal simulação é de interesse no desenvolvimento de fármacos, visto que, para que possam agir, a maioria dos fármacos têm que atravessar a membrana. Modelo computacional da membrana Diagrama esquemático da membrana 16

17 Interação Intermoleculares Muitas das proteínas, que interagem com a membrana celular, apresentam regiões em hélice alfa. Para entendermos esta interação proteína-membrana, vamos olhar alguns detalhes da estrutura da hélice alfa. Uma hélice alfa, como mostrada na figura a, tem as cadeias laterais apontando para fora da hélice (indicadas com setas). Tal hélice alfa pode ser representada como um cilindro (figura b). Nas figuras c e d temos a visão de cima de cada uma das representações da hélice alfa. As visões facilitam a identificação das regiões hidrofóbicas e hidrofílicas das hélices alfa, como nas figuras c e d. Cadeias laterais a) b) Cadeias laterais c) d) 17

18 Interação Intermoleculares Nas estruturas de feixes de hélices transmembranares, verifica-se que a parte da hélice que toca os lipídios é relativamente mais hidrofóbica que a parte que participa do contato hélicehélice. No diagrama esquemático à direita, temos um feixe de 4 hélices (figura b), onde vemos que a região entre as hélices é mais hidrofílica que a região em contato com a bicamada lipídica. A região das hélices, em contato com as caudas hidrofóbicas da bicamada fosfolipídica, estão indicadas por setas. a) Hélice transmembranar b) 4 hélices transmembranares Superfície mais hidrofóbica Superfície mais hidrofílica 18

19 Interação Intermoleculares Apresentaremos o complexo proteico centro de reação fotossintético da bactéria púrpura R. viridis, como exemplo de proteína transmembranar. O centro de reação fotossintético é o local da etapa inicial da captura de energia luminosa na fotossíntese. Tal complexo proteico é composto de quatro cadeias polipeptídicas, indicadas na figura ao lado, nas cores azul, vermelha, cinza e dourado. A proteína apresenta uma estrutura quaternária tetramérica. Há também quatorze cofatores de baixo peso molecular, indicados em amarelo. Entres os cofatores temos cromóforos, que absorvem a energia luminosa, que é convertida em potencial eletroquímico, através da membrana. Referência: Deisenhofer, J. & Michel, H. (1989) EMBO J. 8:

20 Hidrofílica Hidrofóbica Hidrofílica Interação Intermoleculares Na representação ao lado, os resíduos de aminoácidos hidrofóbicos estão em cinza, os polares em verde, os ácidos em vermelho e os básicos em azul. Átomos pertencentes aos cofatores estão em ciano. Vemos claramente uma heterogeneidade na distribuição de cargas na superfície das proteínas. No centro temos uma região preponderantemente hidrofóbica, e nas partes superior e inferior uma concentração de resíduos de aminoácidos carregados e polares, o que caracteriza uma região hidrofílica. 132 Å Referência: Deisenhofer, J. & Michel, H. (1989) EMBO J. 8: Å 20

21 Interação Intermoleculares A representação à direita indica os elementos de estrutura secundária, notadamente: hélices, fitas e regiões de alças, conectando as hélices e fitas. As cadeias L e M (estruturas do meio) apresentam preponderantemente hélices, enquanto o citocromo (estrutura de cima) e a cadeia H (estrutura da parte debaixo) apresentam outros elementos de estrutura secundária. Observação: As coordenadas atômicas usadas para representar a estrutura do centro de reação fotossintético estão depositadas no banco de dados de estruturas PDB (Protein Data Bank), com código de acesso: 1PRC. O endereço do PDB é Essa estrutura foi a primeira proteína transmembranar a ter sua estrutura elucidada por cristalografia por difração de raios X. Cadeia L Citocromo Cadeia H Cadeia M 21

22 Interação Intermoleculares A estrutura do centro de reação fotossintético não foi determinada em contato com a membrana celular, mas a partir da análise de sua estrutura cristalográfica isolada, podemos elaborar uma hipótese de como a proteína interage com a membrana. Vamos destacar os principais aspectos da estrutura da proteína. 1) Apresenta 4 cadeias polipeptídicas, sendo que duas delas se destacam pela participação majoritária de hélices na sua estrutura, as cadeias L e M mostradas na figura ao lado. Cadeia L Citocromo Cadeia H Cadeia M 22

23 Hidrofílica Hidrofóbica Hidrofílica Interação Intermoleculares 2) As cadeias L e M apresentam preponderância de resíduos de aminoácidos hidrofóbicos na superfície da proteína, como indicado na figura ao lado. 3) A análise da estrutura indica um padrão de hidrofobicidade na forma de sanduíche. O citocromo hidrofílico, as cadeias L e M hidrofóbicas e a cadeia H hidrofílica. 4) A dimensão maior da proteína chega a 132 Å de comprimento. 5) A bicamada fosfolipídica apresenta uma espessura de aproximadamente 60 Å, como mostrado abaixo. 132 Å 60 Å 72 Å 23

24 Hidrofílica Hidrofóbica Hidrofílica Interação Intermoleculares 6) A bicamada fosfolipídica apresenta um padrão de hidrofobicidade da forma de sanduíche, onde a parte hidrofóbica fica no meio de duas partes opostas hidrofílicas, como mostrada na figura ao lado. 7) Do ponto de vista físico-químico, esperamos que as partes hidrofóbicas da proteína apresentem interação com as partes hidrofóbicas da membrana. Esperamos, também, interações entre as partes hidrofílicas da proteína com as cabeças polares da bicamada fosfolipídica. Considerando as observações experimentais destacadas anteriormente, podemos levantar uma hipótese científica sobre a interação do centro de reação fotossintético com a membrana celular. 24

25 Interação Intermoleculares Centro de reação fotossintético da bactéria púrpura R. viridis.? Meio extracelular Bicamada fosfolipídica. Citoplasma 25

26 Interação Intermoleculares Hélice alfa é a estrutura secundária comumente encontrada em segmentos transmembranares de proteínas de membranas. Normalmente temos a combinação de vários segmentos de hélice, formando feixes de hélices transmembranares, como nas estruturas das cadeias L e M da estrutura do centro de reação fotossintético mostrada ao lado. A partir da análise da estrutura do centro de reação fotossintético, podemos propor um modelo para interação da proteína com a membrana. No modelo temos que a parte hidrofóbica, formada por hélices, interage com a membrana celular, conforme indicado no diagrama esquemático ao lado. Meio extracelular Citoplasma Interação das cadeias L e M (vermelho e cinza) do centro de reação fotossintético com a bicamada lipídica. 26

27 Interação Intermoleculares Outra estrutura possível para proteínas transmembranares é a folha beta. Um arranjo onde a folha beta fecha-se sobre si forma um arranjo similar a um barril, sendo denominado barril beta. A estrutura em barril proporciona as características físico-químicas desejáveis para uma proteína transmembranar, tal como blindagem dos átomos da cadeia principal que participam de ligações de hidrogênio. A figura ao lado mostra a estrutura de uma porina. As porinas criam canais na membrana permitindo a passagem de moléculas de baixa massa molecular (inferior a 700 Da), tais como moléculas de água, íons, glucose e outros nutrientes. Barril beta da porina de Rhodopseudomonas blastica. Código de acesso PDB: 8PRN 27

28 Interação Intermoleculares Venenos de serpentes podem ser pensados como coquetéis de proteínas e peptídeos, que apresentam um vasto espectro de atividades biológicas, entre elas muitas de interesse farmacológico. Há dois objetivos principais nos estudos dos componentes dos venenos de serpentes. Um focado nos soros e possíveis inibidores para os acidentes ofídicos, que ainda ocorrem no Brasil e no resto do mundo. Outro foco está centrado nas propriedades farmacêuticas dos componentes dos venenos. Cobras brasileiras. Bothrops jararacussu (Jararaca). Disponível em: < tml >. Acesso em: 03 de setembro de

29 Interação Intermoleculares Entre as proteínas identificadas nos venenos, destacam-se as metaloproteases e as fosfolipases A2 (discutidas aqui). As fosfolipases A2 são enzimas que catalisam a clivagem de fosfolipídios, componentes da membrana. Tal enzima foi intensivamente estudada e está presente no veneno de diversas serpentes. Entres suas atividades, destacam-se a atividade miotóxica, apresentada pelo veneno das serpentes do gênero Bothrops. A ação miotóxica é responsável por danos extensos no tecido muscular, se não tratada. A fosfolipase A2 apresenta 122 resíduos de aminoácidos em sua estrutura primária, e sua estrutura 3D foi elucidada por técnicas de difração de raios X. A estrutura apresenta 6 hélices principais, indicadas por cilindros azuis e duas fitas em amarelo. C N Estrutura da fosfolipase A2 de Bothrops jararacussu. 29

30 Interação Intermoleculares Estudos estruturais das fosfolipases A2 lançaram as bases moleculares para o entendimento da atividade miotóxica. A hipótese mais aceita, estabelece que a clivagem dos fosfolipídios da membrana celular levam à ação miotóxica. Modelos computacionais da interação da fosfolipases A2 com a membrana identificaram detalhes da interação, como mostrado ao lado. A fosfolipase A2, uma proteína rica em hélices (indicadas como cilindros azuis), apresenta interações eletrostática e hidrofóbica com a membrana, o que possibilita a desestruturação desta e a consequente atividade tóxica. A simulação computacional indicou que a ligação da fosfolipase A2 à membrana, desloca moléculas de água, o que pode facilitar a interação da enzima com os fosfolipídios. Modelo computacional da interação da fosfolipase A2 com a monocamada da membrana. Os fosfolipídios são indicados com caudas hidrofóbicas em verde. Disponível em:< Acesso em: 03 de setembro de

31 Canais Iônicos Canais de K + são proteínas transmembranes que permitem a saída de íons de potássio da célular. A habilidade mostrada pelos canais de K + dependentes de voltagem, de permitirem majoritariamente a saída de íons de K +, é conseguida por meio de um filtro de seletividade, presente numa das extremidades do poro. A figura ao lado ilustra a passagem de íons de K + (esferas verdes) pelo canal de K +. A região mostrada é a parte do filtro. Em solução, os íons de K + apresentam-se envolvidos por 8 moléculas de água (esferas vermelhas), formando uma camada de hidratação. A esferas de hidratação dos íons de K +, acomodam-se no canal de K + e começam a perder as moléculas de água, a interação com a água é substituída pela interação com os oxigênios das carbonilas do canal de K + dependente de voltagem. Interação intermolecular do canal de K + voltagem com íons de K + (esferas verdes). Meio extracelular Esfera de hidratação Citoplasma dependente de Disponível < >. Acesso em: 03 de setembro de em:

32 Canais Iônicos A região do canal de K +, que captura a esfera envoltória de K +, apresenta um tamanho preciso para uma interação favorável com a camada de hidratação envoltória de K +. No caso do íon de Na +, a esfera envoltória é menor que a do K +, levando a uma interação fraca com o canal de K +. Assim, o sistema da esfera de Na +, não tem uma interação favorável com o canal de K +, permanecendo no interior da célula. Podemos pensar que a esfera de hidratação do Na +, por ser menor que a do K +, está frouxamente ligada ao canal de K + dependente de voltagem, o que não é favorável para a perda das moléculas de água e posterior passagem pelo canal. Meio extracelular Citoplasma Animação mostra a difusão de íons pelo canal iônico. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de

33 Canais Iônicos A estrutura do canal de K + dependente de voltagem de Streptomyces lividans apresenta estrutura quaternária tetramérica (4 cadeias polipeptídicas), representadas na figura ao lado. Cada cadeia é formada por três hélices transmembranares e um loop (laço), o íon de potássio está representado no centro do tetrâmero em verde. Também vemos o loop P e a hélice P, que são responsáveis pela seletividade iônica (indicados em azul). O loop P é formado pelo resíduos Gly-Tyr-Gly, que estão alinhados de forma a estreitar o funil formado pela estrutura do canal. Estamos olhando do meio extracelular para o meio intracelular. Canal de K + dependente de voltagem visto do meio extracelular para o 1BL8. meio intracelular. Código de acesso PDB: Fonte: Sansom, MS. Current Biology 1998, 8:R450 R

34 Canais Iônicos O canal de K + dependente de voltagem forma uma passagem na membrana celular. Tal passagem é altamente seletiva por K + e sensível à mudança de potencial elétrico. A parte intracelular do tubo do canal de K + apresenta uma cavidade de 10 Å de diâmetro. A cavidade está alinhada com resíduos hidrofóbicos e preenchida por moléculas de água. As dimensões desta cavidade, permitem um ajuste ideal para interação com os íons de K +. Canal de K + dependente de voltagem visto do meio extracelular para o meio intracelular. Código de acesso PDB: 1BL8. Fonte: Sansom, MS. Current Biology 1998, 8:R450 R

35 Canais Iônicos A figura a lado mostra um zoom da região que interage com o íon de K +. A carga positiva do íon de K + interage eletrostaticamente com os oxigênios das carbonilas dos resíduos de Tyr58, com as distâncias interatômicas variando de 3,07 a 3,21 Å. Os oxigênios das carbonilas não apresentam uma carga elétrica completa, mas uma carga elétrica parcial negativa, que sofre atração eletrostática pela carga positiva do íon de K +. O íon de K + é mostrado pela esfera verde no centro da figura. A figura acima mostra a interação do íon de potássio (esfera verde) com 4 carbonilas. Cada carbonila pertence à tirosina 58, que está presente em cada monômero da estrutura do canal de K + dependente de voltagem. Código de acesso PDB: 1BL8. 35

36 Canais Iônicos Na figura ao lado, vemos a superfície molecular do canal de K + dependente de voltagem. A coloração azul indica carga relativa positiva, a vermelha carga relativa negativa e a azul ciano carga neutra. O íon de K + (indicado pela esfera verde no centro da estrutura) sofre interação eletrostática com as concentrações de cargas negativas do canal de K +. A estrutura quaternária do canal iônico fica clara na figura, com 4 cadeias polipeptídicas. A estrutura do canal de K + dependente de voltagem é chamada homotetrâmero, ou seja, um tetrâmero com 4 monômeros idênticos. Superfície molecular do canal de K + dependente de voltagem. A figura mostra a visão do meio extracelular, como se observássemos do meio extracelular para o meio intracelular. Código de acesso PDB: 1BL8. 36

37 Canais Iônicos Podemos fazer uma analogia do canal de K + dependente de voltagem com uma maçã, onde a visão da molécula ao lado é análoga à visão da deliciosa maçã mostrada na foto abaixo. Superfície molecular do canal de K + dependente de voltagem. A figura mostra a visão do meio extracelular, como se observássemos do meio extracelular para o meio intracelular. Código de acesso PDB: 1BL8. 37

38 Canais Iônicos Usando a maçã, podemos imaginar o que temos que fazer para visualizarmos o interior da maçã, como se quiséssemos observar o interior do canal de K + dependente de voltagem. Na primeira foto à esquerda, temos a maçã inteira, vista de cima. Na foto seguinte, temos a maçã com a quarta parte removida. Na terceira foto, temos a maçã com a quarta parte removida vista de perfil. 38

39 Canais Iônicos Agora temos o análogo do canal de K + dependente de voltagem, mostrado abaixo de cada foto da maçã, deixando clara a visualização do interior do canal na última figura da direita. A primeira figura da molécula vemos o canal por cima, na segunda com um dos monômeros retirados e, por último, de perfil, vemos o interior do canal de K + dependente de voltagem. 39

40 Canais Iônicos Na figura ao lado removemos o monômero B, o que possibilita visualizarmos o interior do canal de K +. A figura foi girada 90 º em relação à figura vista de cima. O tubo formado permite a passagem do íon de K + do meio intracelular (parte de baixo) para o meio extracelular (parte de cima). Na parte de baixo, vemos uma região essencialmente hidrofóbica, no centro do canal (indicada por uma circunferência branca), esta região apresenta uma cavidade, que permite a passagem dos íons de K +. Podemos pensar que esta cavidade é uma antecâmara, onde o íon de K + despe-se de sua camada de solventes (as 8 moléculas de água que cercam o íon). Cavidade hidrofóbica Superfície molecular do canal de K +. A figura mostra a visão de perfil do canal. Código de acesso PDB: 1BL8. 40

41 Canais Iônicos O íon de K + intracelular é capturado e desloca-se para a cavidade hidrofóbica, indicada pela circunferência branca. Acima desta cavidade temos o loop P, com a sequência de resíduos de aminoácido Gly-Tyr-Gly, que estreitam o tubo que liga ao meio extracelular, selecionando os íons de K +. A presença de resíduos glicina (Gly) no loop P confere grande flexibilidade estrutural a esta região da proteína. Loop P Cavidade hidrofóbica Superfície molecular do canal de K +. A figura mostra a visão de perfil do canal. Código de acesso PDB: 1BL8. 41

42 Canais Iônicos Como já destacamos anteriormente, um aspecto estrutural comum a muitas proteínas intrínsecas é a presença de hélices na região transmembranar. Na estrutura do canal de K + vemos um feixe de hélices interagindo com as caudas hidrofóbicas da bicamada fosfolipídica, como mostrado ao lado. O canal de K + tem um aspecto de cone, como se fosse uma casquinha de sorvete. Meio extracelular K + Citoplasma Estrutura do canal de K + dependente de voltagem interagindo com a bicamada fosfolipídica. Código de acesso PDB: 1BL8. 42

43 Difusão Os canais iônicos permitem a difusão de íons, esse fenômeno pode ser estudado a partir de uma analogia com uma cuba de vidro, onde temos cloreto de sódio ( 5 % de NaCl) dissolvido de um lado da cuba e do outro água pura. Os dois sistemas estão separados por uma membrana permeável ao NaCl e à água. Como a membrana é permeável, ocorre a difusão, que leva as moléculas de água do lado direito a movimentar-se para o setor do lado esquerdo e, os íons de NaCl, a difundirem-se para o lado direito. 5 % de NaCl dissolvido em água 0 % de NaCl dissolvido em água 43

44 Difusão Com a difusão o sistema atinge o equilíbrio, onde a concentração salina é idêntica em ambos os lados. Considerando-se que o volume é o mesmo em ambos os lados, e que a concentração inicial de NaCl do lado esquerdo era 5 % e 0% do lado direito, temos, no equilíbrio, 2,5 % de NaCl em ambos os lados. O fenômeno da difusão é dependente da temperatura do sistema, pois, conforme aumentamos a temperatura, aumentamos a energia cinética dos componentes do sistema (água e NaCl). 2,5 % de NaCl dissolvido em água 2,5 % de NaCl dissolvido em água 44

45 Osmose Quando trocamos a membrana permeável, por uma semipermeável, observamos o fenômeno da osmose. Na osmose temos a transferência de moléculas de água da região com baixa concentração de soluto (lado direito da cuba), para uma região com alta concentração de soluto (NaCl), lado esquerdo da cuba. Assim, temos uma pressão atuando do lado direito para o lado esquerdo, a pressão osmótica ( ). O fluxo de água do lado direito para o esquerdo é chamado de fluxo osmótico. 5 % de NaCl dissolvido em água 0 % de NaCl dissolvido em água 45

46 Osmose Abaixo temos a situação que ocorre quando o equilíbrio é atingido. A pressão da coluna de líquido do lado esquerdo compensa a pressão osmótica. A pressão osmótica ( ) depende da concentração do soluto (C M ), da temperatura em Kelvin (T) e da constante dos gases (R = 0,0821 L atm mol 1 K 1 ), conforme a equação abaixo: C M RT 2,5 % de NaCl dissolvido em água 0 % de NaCl dissolvido em água 46

47 Osmose A hemácias apresentam alta permeabilidade na membrana, com uma concentração intracelular aproximada de 0,85 % de NaCl, em condições fisiológicas. Assim, numa situação onde a concentração salina no meio extracelular, é maior que no meio intracelular (solução hipertônica), temos o encolhimento das células. Numa situação onde a concentração salina extracelular, é bem menor que no meio intracelular (solução hipotônica), temos a lise (quebra) das células, chamada de hemólise. Quando a solução extracelular, apresenta uma concentração salina próxima à intracelular, temos uma solução isotônica. Hipertônica Isotônica Hipotônica Steve Lower's Web site. Osmosis and osmotic pressure. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de

48 Osmose O gráfico abaixo ilustra a hemólise em função da concentração salina extracelular. Vemos que conforme diminuímos a concentração salina extracelular (solução hipotônica), aumentamos a hemólise. Cell Biology OLM Authored by Stephen Gallik, Ph. D. URL: cellbiologyolm.stevegallik.org Copyright 2011 Stephen Gallik, Ph. D. Gráfico da hemólise em função da concentração salina. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de

49 Busca de Informação Científica na Internet Você pode acessar o PubMed no endereço: Campo para inserir a palavra para busca A página de entrada é mostrada ao lado. O campo indicado pela seta é usado para digitarmos a(s) palavra(s) sobre o qual queremos pesquisar. Podemos usar também para busca de artigos pelos autores. Mais informações no site: Acesso em: 03 de setembro de

50 Busca de Informação Científica na Internet Vamos efetuar dois tipos básicos de buscas no PubMed. 1) Busca por assunto. Imagine que você está interessado em ter acesso aos artigos científicos publicados sobre estruturas de DNA. Podemos colocar DNA structure, não se esqueça, o site funciona em inglês. Depois clicamos no Search 50

51 Busca de Informação Científica na Internet Os resultados da busca estão mostrados abaixo. Cada artigo encontrado é numerado, do mais recente para o mais antigo. Tais parâmetros de visualização podem ser mudados. Ao correr a barra vertical do seu browser você verá mais artigos. Nesta busca foram identificados 522 artigos. 51

52 Busca de Informação Científica na Internet 2) Busca por autor(es). Você pode fazer uma busca por autores, por exemplo todos os artigos de James D. Watson, um dos cientistas que elucidou a estrutura do DNA. Para efetuar busca por autor, é melhor deixar claro que estamos procurando os artigos do autor, e não sobre o autor, assim indicamos "Watson JD"[Author].Depois clicamos no Search 52

53 Busca de Informação Científica na Internet 2) Busca por autor(es). Podemos buscar os artigos de dois ou mais autores, usando o operador lógico AND. Por exemplo, queremos encontrar os artigos publicados por James D. Watson e Francis H. Crick. Indicamos no campo de busca "Watson JD" AND "Crick FH [Author]. Depois clicamos no Search 53

54 Pesquisa 1 O homem esteve realmente na Lua? 54

55 Navalha de Occam Tudo que existe na natureza é formado de informação, energia e massa, sendo a última uma forma de energia. As relações entre massa e energia são regidas por quatro forças básicas. Todo fenômeno natural observado é resultado da interação de uma ou mais dessas forças. No estudo científico de qualquer fenômeno, nós usamos alguns princípios lógicos que nos guiam na interpretação da natureza. Discutiremos aqui o princípio lógico conhecido como navalha de Occam. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de

56 Navalha de Occam O conceito da Navalha de Occam (Lex parsimoniae) foi estabelecido pelo frei franciscano William Occam ( ) no século XIV. O conceito diz que a explicação para de qualquer fenômeno deve fazer o menor número de suposições possíveis, com a eliminação daquelas que não fazem diferença nas previsões observáveis da hipótese ou teoria explanatória. Quando múltiplas hipóteses são analisadas, sob à luz da navalha de Occam, o princípio recomenda selecionar a hipótese que introduz o menor número de suposições e postula o menor número de entidades. Disponível em:< >. Acesso em: 03 de setembro de

57 Navalha de Occam Nada melhor que um exemplo para entendermos os conceitos da navalha de Occan. Vamos aplicá-la a uma teoria pseudocientífica, (pseudo = falso). Entre as teorias pseudocientíficas, a astrologia com certeza é uma das mais divulgadas pela grande mídia. São raros os jornais que trazem divulgação científica séria, mas quase todos os jornais apresentam uma coluna de horóscopo. Tais colunas são lidas avidamente por milhões de fãs. Tirando o absurdo de considerar que mais de 600 milhões de pessoas teriam a mesma influência, por terem o mesmo signo. Há diversas outros disparates em tal crença. Imagem da Terra vista do espaço. Site Science Photo Library. Disponível em: < Acesso em: 03 de setembro de

58 Navalha de Occam Vamos considerar a influência que uma xícara de café faz sobre você. Usaremos a lei da gravitação de Newton para determinarmos a atração gravitacional de uma xícara de café. Considere uma xícara de café, a 1 cm (0,01 m) de distância (r) de você. A massa da xícara (m) com café é 312 g (0,312 kg). Sua massa (M) é de 70 kg. Determine a força de atração (F g ) que a xícara exerce sobre você. Leve em consideração que G = 6, N.m 2 /kg 2. Se colocarmos todas unidades do sistema internacional, teremos como resultado uma força em unidades do SI, ou seja, Newtons (N), como segue. F g G Mm r 2 6, ,312 (10 2 ) 2 N 6, , N 145, N , N 7 N Fonte da informação sobre as constantes físicas: < Acesso em: 03 de setembro de

59 Navalha de Occam Consideremos agora um nativo do signo de capricórnio, cujo o planeta regente é Saturno. Qual a força que o planeta Saturno exerce sobre você? A equação está mostrada abaixo. A distância Terra- Saturno varia conforme a época do ano. Vamos pegar a menor distância, aproximadamente 1,35 bilhões de km, passando para metros 1, m. A massa de Saturno é de 5, kg, (Disponível em: 56.htm. Acesso em: 30 de agosto de 2016), assim temos a seguinte força de atração de Saturno: Imagem do planeta Saturno obtida pela sonda Cassini. Visão artística de Saturno a parir de seu satélite, Iapetus. Site Science Photo Library. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de F g G Mm r , , N 1, ,69.10 (1,35.10 N ) 2 59

60 Navalha de Occam Ou seja, Saturno exerce uma influência sobre você 10 vezes menor que a xícara de café. Há pessoas, infelizmente muitas, que não saem de casa sem antes lerem o horóscopo. A próxima vez que perguntarem seu signo, diga, sou do signo da xícara de café... Somos todos do signo da xícara de café. Site Science Photo Library. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de

61 Navalha de Occam Convencido que seu signo é a xícara de café? Ou do chimarrão? Bem, nem todos estão, com certeza. Alguns podem argumentar: Bem professor, na natureza não há somente a força gravitacional. Há outras forças. Certo! Há mais três forças na natureza. Toda a matéria e energia que conhecemos estão sujeitas a essas quatro forças. Essas forças são: Força gravitacional; Força eletromagnética; Força nuclear fraca; Força nuclear forte. Então ainda há esperanças que o planeta que rege seu signo exerça alguma dessas forças sobre você? Lamento informá-los que não. Representação artística das órbitas dos planetas do nosso sistema solar. Site Science Photo Library. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de

62 Navalha de Occam Vamos aprender um pouco mais sobre essas quatro forças. Força gravitacional. Está relacionada com a massa dos corpos e com a distância que os separam. Já calculamos ela para Saturno e a xícara de café. Força eletromagnética. Está relacionada com a ação de cargas elétricas. Um próton, com carga elétrica positiva, atrai um elétron de carga elétrica negativa. Simples! Não há carga elétrica suficiente para uma ação à distância. Força nuclear fraca. Atua no núcleo e é de curto alcance. Força nuclear forte. Atua em partículas elementares e também tem curtíssimo alcance. Resumindo, se não é a força gravitacional que está atuando a longa distância, definitivamente não serão as outras. Representação artística do Sol e das órbitas dos planetas do nosso sistema solar. Site Science Photo Library. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de

63 Navalha de Occam A aplicação de tal princípio lógico está no centro do método científico. Sendo um dos nossos guias para entendermos a natureza do ponto de vista científico. Voltando a hipótese da influência dos astros sobre nossos destinos, o número de suposições que temos que admitir, no caso da astrologia, é astronômico, assim, podemos considerar a explicação com o menor número de suposições, os astros não influenciam nosso destino. Tirando a ação da gravidade, que vimos ser menor que a da xícara de café. Resumindo. Liberte-se dessas besteiras, abra a mente para a ciência. A natureza e seus mistérios são muito mais interessantes, ou, como diria Mr. Spock. Fascinante. Mr. Spock da série Star Trek. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de

64 Método Científico O método científico é um conjunto de procedimentos que possibilita a análise de fenômenos naturais com um olhar crítico e sistemático. O método científico visa extrair modelos de observações experimentais que permitam o entendimento dos fenômenos da natureza. Podemos estabelecer que o método científico envolve a observação de fenômenos, levantamento de hipóteses sobre o fenômeno, experimentação para verificar a validade ou não das hipóteses levantadas e uma conclusão que valida ou não as hipóteses. Resumindo, o método científico é um guia para descobertas científicas, é a luz que nos separa da superstição e das trevas da ignorância. Rocha lunar coletada durante a missão da Apollo 15 em exposição no Science Museum London UK. A peça mostrada na foto foi cortada da rocha Great Scott, coletada pelo astronauta David Scott em Agosto de 1971, após a alunissagem da nave Apollo 15. A rocha lunar tem massa de 83 g e é mantida numa câmara de nitrogênio para não entrar em contato com a atmosfera terrestre. Um total de 400 kg de rochas foram trazidas da Lua. Uma análise comparativa das rochas lunares indicou semelhanças com as rochas terrestres, o que levou à hipótese da Lua ter se formado a partir de pedaços da Terra, que foram levados ao espaço após a colisão com um planetoide. Tal análise é um exemplo da aplicação do método científico. Foto de Linus Santana Azevedo, 3 de fevereiro de Informações adicionais em: < px >. 03 de setembro de

65 Método Científico O fluxograma ao lado ilustra os principais passos para a aplicação do método científico. Ao identificarmos o problema, escolhemos qual parte da natureza estamos interessados em estudar. Uma vez definido o problema, coletamos dados sobre o problema. A coleta de dados significa observar e realizar medições focadas no problema em estudo, ou usar dados previamente coletados na literatura científica sobre o problema a ser estudado. A natureza das medidas depende do sistema sendo estudado. Tais medidas formam os dados, que serão submetidos à análise estatística que auxiliarão na elaboração da(s) hipótese(s) e posterior teste(s) desta(s). A elaboração da(s) hipótese(s) é uma tentativa de explicar de forma racional a parte da natureza (problema) que estamos estudando. Não Identificação de um problema Coleta de dados Elaboração de hipótese(s) Teste de hipótese(s) (experimento) Novos dados confirmam as hipótese(s)? Sim 65

66 Método Científico Nada garante que nossa(s) hipótese(s) está(ão) certas. Temos que testá-la(s), elaborando um novo experimento que, por sua vez, irá gerar novos dados. A caixa de decisão, representada pelo losango ao lado, indica que testamos se os novos dados estão em concordância com a(s) hipótese(s). Caso estejam, temos um experimento em concordância com a(s) hipótese(s) e podemos elaborar um novo experimento para testar a(s) hipótese(s). Depois que um número estatisticamente relevante de experimentos for realizado, preferencialmente por diversos laboratórios independentes, a(s) hipótese(s) pode(m) receber o status de uma teoria. Caso os novos dados refutem a(s) hipótese(s) levantada(s), temos a necessidade de nova(s) hipótese(s), que geram novos experimentos, o ciclo se repete. Não Identificação de um problema Coleta de dados Elaboração de hipótese(s) Teste de hipótese(s) (experimento) Novos dados confirmam as hipótese(s)? Sim 66

67 Método Científico (Exemplo da Estrutura do DNA) Nosso problema está focado na forma que o DNA armazena a informação genética (identificação de um problema). Antes da resolução da estrutura do DNA, sabia-se que este armazenava a informação genética (Experimento de Avery-MacLeod- McCarty)(Avery, MacLeod, McCarty,1944) e era constituído de 4 nucleotídeos (coleta de dados). Referência: Avery, Oswald T.; Colin M. MacLeod, Maclyn McCarty ( ). "Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III". Journal of Experimental Medicine 79 (2): Representação artística da estrutura do DNA. Science Museum, London, UK. Foto de Linus Santana Azevedo, 3 de fevereiro de

68 Método Científico (Exemplo da Estrutura do DNA) Em seguida temos a elaboração da hipótese. A hipótese levantada por James Watson e Francis Crick é que a estrutura do DNA apresenta uma hélice dupla. Sabia-se que o padrão de difração de raios X de uma estrutura helicoidal produziria um padrão com formato de X (Cochran, Crick and Vand, 1952). Assim, temos uma forma de confirmar se o DNA é helicoidal ou não. O passo seguinte é o teste da hipótese, no caso os experimentos que envolvem a cristalização do DNA e a posterior coleta de dados de difração de raios X (figura mostrada ao lado). A cristalização e coleta de dados de difração de raios X foram realizadas por Rosalind Franklin. Diagrama esquemático para a produção do padrão de difração de raios X do DNA. O padrão foi obtido originalmente por Rosalyn Franklin, e usado por James Watson e Francis Crick para elucidarem a estrutura 3D do DNA, contudo, ao publicarem o artigo relatando a estrutura do DNA, o nome da Rosalyn Franklin foi omitido. Site Science Photo Library. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de

69 Método Científico (Exemplo da Estrutura do DNA) A partir da cristalização e, posterior coleta do padrão de difração de raios X do DNA, Watson e Crick propuseram a estrutura em hélice dupla para DNA, mostrada no modelo de metal em exposição do Science Museum, London UK. A estrutura de DNA foi descrita num artigo de duas páginas, publicado na revista Nature em Abril de O padrão em X da difração de raios X deu suporte experimental para a hipótese (teste da hipótese). Referências: Cochran W, Crick FHC and Vand V. (1952) "The Structure of Synthetic Polypeptides. I. The Transform of Atoms on a Helix", Acta Cryst., 5, Watson JD, Crick FH. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 1953;171(4356): Modelo em metal da estrutura do DNA. A estrutura do DNA foi modelada a partir das informações contidas no padrão de difração de raios X de cristais de DNA. Science Museum, London, UK. Foto de Linus Santana Azevedo, 3 de fevereiro de

70 Expectativa de vida Singularidade Tecnológica Uma grande parte de cientistas da área de inteligência artificial, acredita que vivemos um momento especial da história do desenvolvimento científico. Devido à importância deste momento, destaco nos meus modestos cursos alguns aspectos relevantes do processo da singularidade tecnológica. Uma das características desta última é o aumento expressivo da expectativa de vida. Se compararmos a expectativa de vida hoje, com a de um brasileiro do início do século XX, vemos que mais que dobramos nossa expectativa. No gráfico ao lado, vemos que a expectativa de vida do brasileiro em 1910 era de 34 anos, e hoje está acima de 70 anos. O aumento deve-se a diversos fatores, tais como o desenvolvimento no saneamento básico e as conquistas científicas da medicina moderna Ano Expectativa de vida do Brasileiro entre 1910 e Fonte dos dados: Informe da Previdência Social. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de

71 Expectativa de vida Singularidade Tecnológica Dados para expectativa de vida, antes de 1910, indicam números ainda piores. Segundo algumas fontes, a expectativa de vida no Brasil em 1900 era inferior a 30 anos. Fonte: Laboratório de Demografia e Estudo Populacionais. Disponível em: < nto-da-longevidade-e-estancamento-daesperanca-de-vida-artigo-de-joseeustaquio-diniz-alves/ >. Acesso em: 03 de setembro de Um gráfico da evolução da expectativa de vida ano a ano ( ), mostra aspectos curiosos do aumento. Vemos um avanço considerável entre 2002 e Este pulo na melhora da expectativa de vida, é, também, uma consequência direta de políticas públicas de redução da pobreza Ano Expectativa de vida do Brasileiro entre 2000 e Fonte dos dados: Index Mundi. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de

72 Singularidade Tecnológica Olhando para o futuro, a expectativa de vida traz grandes promessas. Um geneticista da Cambridge University - Reino Unido, prevê que a primeira pessoa a viver mais de 1000 anos já está entre nós (Site da BBC. Disponível em: < 63.stm >. Acesso em: 03 de setembro de Isto mesmo, mil anos! Não é erro de digitação. Eu sou cético com relação a este número, mas acredito, baseado na aceleração do desenvolvimento científico, que ultrapassaremos o limite de 120 anos nas próximas décadas. Página de entrada do site da Strategies for Engineered Negligible Senescence (SENS) Foundation. Disponível em: < Acesso em: 03 de setembro de

73 Singularidade Tecnológica A evolução da ciência médica, nos deu nas últimas décadas desenvolvimentos como transplantes, vacinas, novos fármacos etc. Além disso, temos a expectativa da substituição de órgãos, como o rim crescido artificialmente mostrado ao lado (Song et al., 2013). Baseado neste cenário, podemos ser otimistas quanto à expectativa de vida do ser humano. Esperamos que, nas próximas décadas, teremos a possibilidade de substituição de nossos órgãos conforme envelhecemos. A substituição do rim por um crescido artificialmente tem uma perspectiva de ser possível numa década. Outros órgãos apresentam equivalente biomecânico, como o coração. Rim artificial testado em ratos. Disponível em: < Acesso em: 03 de setembro de Referência: Song JJ, Guyette JP, Gilpin SE, Gonzalez G, Vacanti JP, Ott HC. Regeneration and experimental orthotopic transplantation of a bioengineered kidney. Nat Med Apr 14. doi: /nm

74 Singularidade Tecnológica Além do aumento expressivo do número de anos vividos, a humanidade usufruirá de facilidades tecnológicas, cada vez mais baratas. A evolução da medicina e da cibernética, permitirá o desenvolvimento de um equivalente computacional ao cérebro humano. Como o desenvolvimento concomitante da neurociência, espera-se que tenhamos a capacidade tecnológica de transferirmos o conjunto de nossas sinapses para um cérebro eletrônico, ou seja, a substituição do cérebro humano, por um equivalente computacional. Nessa fase a humanidade atingirá virtualmente a imortalidade. A situação onde esta transição ocorrerá, é chamada de singularidade tecnológica. Visão artística da modelagem matemática do cérebro. Disponível em: < Acesso em: 03 de setembro de

75 Singularidade Tecnológica O gráfico ao lado ilustra a lei de Moore, que estabelece que aproximadamente entre 18 e 24 meses o número de transistores por chip dobra. Esta lei foi proposta por Gordon Moore cofundador da Intel. Ou seja, considerando-se os processadores hoje, esperamos que em aproximadamente entre 18 e 24 meses teremos disponíveis, pelo mesmo preço, computadores com o dobro da capacidade de processamento. Uma extrapolação da lei de Moore para 2030, ou um pouco depois, indica que teremos computadores com a complexidade do cérebro humano. Disponível em: < >. Acesso em: 03 de setembro de Evolução do número de transistores por chip em função do ano. Disponível em: Acesso em: 03 de setembro de

76 Singularidade Tecnológica A pesquisa em singularidade tecnológica é uma atividade multidisciplinar, cujo o foco é o entendimento dos sistemas biológicos e computacionais, especificamente a interface do ser humano com máquinas. A partir deste conhecimento, teremos condições de prolongar nossa expectativa de vida, até termos condições tecnológicas de transferirmos nossa consciência para um sistema computacional, o que abre a possibilidade da imortalidade, bem como uma nova fase da evolução humana. Tal fase da evolução permitirá a integração das consciências computacionais, o que abre um amplo espectro de possibilidades. Tais tecnologias ainda não existem, mas se consideramos a lei de Moore, vemos que o rápido desenvolvimento tecnológico nos levará até este estágio. Visão artística do cérebro digital. Disponível em: < Acesso em: 03 de setembro de

77 Singularidade Tecnológica Muitos autores destacam que, as pesquisas mais importantes e desafiadoras nos dias de hoje, estão relacionadas com a singularidade tecnológica. A biofísica pode contribuir nesta área em duas frentes de atuação. Uma frente para entendermos as bases moleculares do funcionamento do cérebro, que permitirá seu entendimento e então sua modelagem computacional. Noutra frente, ao vivermos mais (aumento da expectativa de vida), nos tornamos sujeitos a novas enfermidades, que podem ser combatidas com abordagens do desenho de fármacos baseado em computadores. Página de entrada do site Kurzweil Accelerating Intelligence. Disponível em:< >. Acesso em: 03 de setembro de

78 Singularidade Tecnológica Ao atingirmos a singularidade tecnológica, abandonaremos as limitações biológicas do nosso ser e atingiremos um universo de novas possibilidades que tal fase nos trará. 78