SÍNTESE DE NUCLEOTÍDEOS NA ERA PRÉ-BIÓTICA

Pois bem, haviámos comentado em sala sobre o trabalho de Powner et al. (2009) sobre a síntese de pirimidinas.

Nature. 2009 May 14;459(7244):239-42.

Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions.

Powner MW, Gerland B, Sutherland JD.

School of Chemistry, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester M13 9PL, UK.

Comment in:

·                     Nature. 2009 May 14;459(7244):171-2.

Abstract

At some stage in the origin of life, an informational polymer must have arisen by purely chemical means. According to one version of the 'RNA world' hypothesis this polymer was RNA, but attempts to provide experimental support for this have failed. In particular, although there has been some success demonstrating that 'activated' ribonucleotides can polymerize to form RNA, it is far from obvious how such ribonucleotides could have formed from their constituent parts (ribose and nucleobases). Ribose is difficult to form selectively, and the addition of nucleobases to ribose is inefficient in the case of purines and does not occur at all in the case of the canonical pyrimidines. Here we show that activated pyrimidine ribonucleotides can be formed in a short sequence that bypasses free ribose and the nucleobases, and instead proceeds through arabinose amino-oxazoline and anhydronucleoside intermediates. The starting materials for the synthesis-cyanamide, cyanoacetylene, glycolaldehyde, glyceraldehyde and inorganic phosphate-are plausible prebiotic feedstock molecules, and the conditions of the synthesis are consistent with potential early-Earth geochemical models. Although inorganic phosphate is only incorporated into the nucleotides at a late stage of the sequence, its presence from the start is essential as it controls three reactions in the earlier stages by acting as a general acid/base catalyst, a nucleophilic catalyst, a pH buffer and a chemical buffer. For prebiotic reaction sequences, our results highlight the importance of working with mixed chemical systems in which reactants for a particular reaction step can also control other steps.

Quentinho do forno da ciência, o grupo investe na avaliação da síntese de purinas em condições plausíveis para a era pré-biótica em um artigo recém publicado!

J Am Chem Soc. 2010 Nov 24;132(46):16677-88. Epub 2010 Nov 2.

Chemoselective multicomponent one-pot assembly of purine precursors in water.

Powner MW, Sutherland JD, Szostak JW.

Howard Hughes Medical Institute and Department of Molecular Biology and Center for Computational and Integrative Biology, Massachusetts General Hospital, 185 Cambridge Street, Boston, Massachusetts 02114, United States, and MRC Laboratory of Molecular Biology, Hills Road, Cambridge, CB2 OQH United Kingdom.

Abstract

The recent development of a sequential, high-yielding route to activated pyrimidine nucleotides, under conditions thought to be prebiotic, is an encouraging step toward the greater goal of a plausible prebiotic pathway to RNA and the potential for an RNA world. However, this synthesis has led to a disparity in the methodology available for stepwise construction of the canonical pyrimidine and purine nucleotides. To address this problem, and further explore prebiotically accessible chemical systems, we have developed a high-yielding, aqueous, one-pot, multicomponent reaction that tethers masked-sugar moieties to prebiotically plausible purine precursors. A pH-dependent three-component reaction system has been discovered that utilizes key nucleotide synthons 2-aminooxazole and 5-aminoimidazoles, which allows the first divergent purine/pyrimidine synthesis to be proposed. Due to regiospecific aminoimidazole tethering, the pathway allows N9 purination only, thus suggesting the first prebiotically plausible mechanism for regiospecific N9 purination.


Links para os artigos

http://www.nature.com/nature/journal/v459/n7244/pdf/nature08013.pdf

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2984373/pdf/ja108197s.pdf

EVOLUÇÃO QUÍMICA GRADUAL

Na década de 50, Stanley Miller demonstrou, em um experimento simples, que compostos orgânicos tais como aminoácidos, ácidos hidroxílicos, aldeídos e hidrocianeto poderiam ser espontaneamente formados a partir de uma mistura de amônia, metano, hidrogênio e vapor de água que fosse aquecida e sujeita a descargas elétricas. As moléculas simples forneceriam os átomos necessários à composição das moléculas ao passo que o calor e as descargas elétricas seriam responsáveis pela energia necessária para estabelecimento das ligações químicas. Nesta hipótese, os elementos básicos para existência de vida na forma como a concebemos (carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio) estariam disponíveis na própria atmosfera. Segundo esta teoria, a origem das moléculas orgânicas é abiótica.

Neste cenário, a evolução molecular e a transição para a vida requereram um papel preponderante da molécula de RNA, em um modelo conhecido como “mundo do RNA”. Assim, nem DNA nem proteínas foram os elementos responsáveis pelo salto da evolução, e sim a molécula de RNA, que possivelmente cumpriu simultaneamente os papéis de “primeiro gene” e “primeira enzima”. Esta linha de pensamento é corroborada pelos seguintes fatos: i) desde a década de 80 são conhecidos RNAs com poder catalítico, também chamados ribozimas e ii) diversos vírus (eg. família Retroviridae) possuem RNA como material genético. Desta forma, o sistema de codificação das informações no DNA seria posterior ao RNA.

Este modelo propõe que a informação necessária para o surgimento da vida teria se estabelecido em etapas:

1 – criação da sopa pre-biótica rica em compostos orgânicos produzidos naturalmente a partir dos elementos inorgânicos da atmosfera

2 – produção de pequenas moléculas de RNA, com seqüências aleatórias

3 – surgimento de moléculas catalíticas de RNA e replicação seletiva

4 – síntese de peptídeos específicos catalisada por RNAs – algumas moléculas de RNA seriam “específicas” para conectar aminoácidos e formar cadeias peptídicas maiores.

5 – incremento do papel funcional dos peptídeos na replicação de RNA, com co-evolução de RNA e proteínas em um sistema de seleção química por atividade funcional

6 – desenvolvimento de sistemas simples de tradução, possivelmente baseado em associação de RNA e proteínas

7 – formação de moléculas de DNA a partir do RNA, possivelmente com catalise mediada por uma molécula de RNA

8 – estabelecimento do DNA como material informacional

O recente (2009) relato da síntese de novo de pirimidinas revela uma nova perspectiva para a demonstração do surgimento da molécula de DNA e, consequentemente, da vida. A maior dificuldade, nessa hipótese, é a de aceitar que uma evolução química gradual (e casual) das moléculas presentes nos mares tenha sido responsável pelo surgimento de uma estrutura tão complexa e específica como um organismo vivo, mesmo que primitivo. Biólogos costumam rebater o argumento da seguinte forma: o aparecimento da vida dessa maneira é realmente um evento de muito baixa probabilidade; no entanto, em termos estatísticos, devido ao tempo muito longo disponível, o número de "tentativas" químicas foi praticamente infinito. Assim, o fenômeno da vida acabaria fatalmente ocorrendo, sendo apenas uma questão de se esperar o suficiente. O princípio seria o mesmo daquilo que ocorre quando se objetiva sortear uma única bola vermelha de um saco com um milhão de bolas, todas as demais pretas: se o número de tentativas for suficientemente grande, acabaremos conseguindo sortear a bola que nos interessa.

Assumindo, então, este processo gradual e ao acaso, no ambiente da sopa primordial, rica mistura de compostos orgânicos das mais variadas estruturas químicas, surgiram as primeiras formas de vida quimiotróficas. O salto evolutivo seria associado ao surgimento dos primeiros pigmentos, capazes de capturar energia da luz e fixar carbono em moléculas orgânicas. Surge, então, o autotrofismo. Supõe-se que o doador de elétrons primário tenha sido o H₂S, e que o sistema tenha evoluído para o uso da água, com liberação de oxigênio. Estes processos iniciais surgiram em um ambiente com pouco oxigênio molecular, sendo, então, basicamente processos anaeróbios. O aumento da concentração de oxigênio na atmosfera representou outro salto evolutivo, já que o O₂ é um potente oxidante e um veneno letal para os anaeróbios. Além disso, o rendimento energético da oxidação total de compostos orgânicos é bastante superior ao da oxidação parcial.

Os detalhes do curso evolutivo no planeta não podem ser deduzidos somente a partir de registros fósseis, que são escassos. Entretanto, através de comparações morfológicas e bioquímicas entre os organismos atuais, uma seqüência de eventos consistente com as evidências fósseis pode ser sugerida. Para o surgimento dos eucariotos, 3 mudanças teriam sido necessárias:

1 – surgimento de um sistema de empacotamento de DNA, compatível com o grau de expansão em comprimento da molécula

2 – compartimentalização do DNA, separando os processos de síntese de RNA da produção de proteínas

3 – associação endosimbionte que capacitou as células eucariontes primitivas a realizar o metabolismo aeróbio (mitocôndria) e a fotossíntese (cloroplasto). O modelo de teoria endosimbionte sugere que o primeiro evento de associação foi entre a célula eucarionte ancestral e bactérias aeróbias, constituindo células eucariontes aeróbias. A partir daí, a associação com cianobactérias fotossintéticas permitiu o aparecimento de células eucariontes aeróbias fotossintéticas.

Temporalizando:

4.500.000.000 – surgimento da Terra

4.000.000.000 – surgimento dos oceanos

3.500.000.000 – surgimento das bactérias fotossintéticas sulfurosas

3.000.000.000 – surgimento das bactérias fotossintéticas produtoras de O₂

2.500.000.000 – surgimento das bactérias aeróbias

2.200.000.000 – atmosfera rica em O₂ começa a ser formada

1.500.000.000 – surgimento dos primeiros eucariotos

1.200.000.000 – primeiras associações endosimbióticas

900.000.000 – surgimento de algas verdes e algas vermelhas

400.000.000 – diversificação dos organismos multicelulares eucariontes

ATENÇÃO

Este material consiste de uma montagem de conceitos e idéias transcritos a partir de publicações formais, tais como livros e artigos e publicações de acesso livre obtidas pela internet e que encontram-se citados abaixo:

Lehninger. Princípios da Bioquímica. Ed. Elsevier. 2007.

http://www.editorasaraiva.com.br/EDDID/CIENCIAS/biblioteca/artigos/n099602.html. acesso realizado em 20/10/2010.