Origem da Vida

1. Origem da Vida

2. Definições • “Um ser vivo é qualquer sistema químico com capacidades evolutivas ilimitadas.” (Peretó)‏ • “Sistema químico auto-sustentável capaz de evolução darwiniana.” (Cientistas da Nasa)

3. Definições • “Um membro da classe de fenômenos que são abertos ou sistemas contínuos capazes de diminuir sua entropia interna às expensas de substâncias ou de energia livre tirada do ambiente e subsequentemente rejeitada em uma forma degradada.” (John Bernal, Erwin Schrödinger, Eugene Wigner, John Avery)‏ • “Não existe nenhuma definição com a qual eu concorde.” (Radu Popa)‏

4. Teorias sobre a Origem da Vida • No início do séc. XIX muitos ainda acreditavam na origem espontânea da vida. Na década de 1860 , Louis Pasteur demonstrou que vida provém de vida. • Em 1924, Oparin publicou seu livro The Origin of Life onde propôs que a vida começou por meio de sucessiva acumulação de cada vez mais complicadas populações moleculares dentro de gotículas de um coacervado.

5. Teorias sobre a Origem da Vida • Em 1953, Miller realizou um experimento que simulava a atmosfera primitiva, bastante redutora, com hidrogênio, metano, amônia e vapor de água, os quais passando por descargas elétricas produziam aminoácidos. • Estes aminoácidos tinham de ser retirados de onde eram produzidos para não serem degradados.

6. Teorias sobre a Origem da Vida • Hoje acredita-se que a atmosfera primitiva fosse neutra. Se houvesse sido redutora, teria desaparecido por ocasião do bombardeamento da Terra p/ meteoritos há cerca de 3,8 eons. Rochas sedimentares datadas deste tempo, compostas de carbonatos e formas oxidadas de ferro, não poderiam ter-se formado sob condições redutoras.

7. Teorias sobre a Origem da Vida • Outra evidência seria a raridade de gases inertes como neon na atmosfera da Terra. O neon é muito abundante no Universo e em nuvens como a que teria formado a Terra. Se a atmosfera houvesse sido redutora, quando se tornou neutra o neon teria permanecido e seria tão abundante quanto o nitrogênio.

8. Teorias sobre a Origem da Vida • A “teoria” de Oparin sobre a origem da vida foi popular entre os cientistas por cerca de meio século, conforme Dyson, “não porque houvesse qualquer evidência para apoiá-la, mas, antes, porque ela parecia ser a única alternativa para o criacionismo bíblico”.

9. Teorias sobre a Origem da Vida • Existem hoje, basicamente, duas hipóteses para a origem da vida através da evolução química das moléculas: origem através da replicação e origem metabólica.

10. Origem através da Replicação • Até o final da déc. de 1960 dilema: quem surgiu primeiro, proteínas ou DNA? • Déc. de 1960, Carl Woese, Francis Crick e Leslie Orgel: moléculas de RNA além da função informacional, função enzimática. • Déc. de 1970, Harold White III: vida primitiva baseada em RNA. • Déc. De 1980: Thomas R. Cech e Sidney Altman: ribozimas.

11. Células: Compõem os organismos, tamanhos e formas variadas.

14. Replicação, transcrição e tradução do DNA

15. O Sonho do Biólogo Molecular • Bases nucleosídicas + açúcares → reações prebióticas • Nucleotídeos (bases, açúcares, fosfatos) → acumularam em pequena poça • Mineral catalisador (montmorilonita) catalisaria formação de polinucleotídeos • Riboenzima • Seleção Natural

16. Problemas do “Sonho” • Joyce (2002) : taxa de formação X taxa de degradação • Produção de açúcar (ribose) purinas (adenina e guanina) e pirimidinas (citosina e uracil) é ineficiente. • Síntese de nucleosídeos: de adenina um produto menor, de citosina a partir de improvável molécula prebiótica. • Fosforilação de nucleosídeos → mistura complexa de mono e polifosfatos isoméricos.

17. Problemas do “Sonho” • Polimerização de nucleotídeos → produtos com ligações fosfodiéster mistas

18. Problemas do “Sonho” • Polimerização de nucleotídeos → produtos com ligações fosfodiéster mistas

19. Problemas do “Sonho” • Replicação de RNA → inibição cruzada enantiomérica

20. Problemas do “Sonho” • Replicação de RNA → fosforimidazolídeos em pequena quantidade no ambiente prebiótico. • Riboenzimas: moléculas até 14 nucleotídeos; produto não pode ser separado da reação de cópia.

21. “O principal obstáculo para se entender a origem da vida baseada em RNA é identificar um mecanismo plausível para vencer a bagunça produzida pela química prebiótica.” (Joyce, 2002.)‏ Para a maioria dos pesquisadores, a síntese prebiótica de RNA parece impossível, procura-se por um outro polímero mais simples. Problemas do “Sonho”

22. “Os aspectos positivos do Mundo de RNA incentivaram Gerald Joyce do Scripps Research Institute e Leslie Orgel do Salk Institute a retratá-lo como 'o sonho do biólogo molecular' em um volume devotado a este tópico. Eles também usaram o termo 'o pesadelo do químico prebiótico' para descrever outra parte do quadro: como este primeiro RNA auto-replicante surgiu? “ (Robert Shapiro, 2007.)‏

23. “Enormes obstáculos bloqueiam o quadro de Gilbert da origem da vida, o suficiente para levar outro ganhador do prêmio Nobel, Christian De Duve da Rockefeller University, a perguntar retoricamente: 'Deus fez o RNA?'” (Robert Shapiro, 2007.)‏

24. Problemas p/ a formação prebiótica de RNA (Shapiro): • Existem muitas combinações possíveis para as conexões entre os componentes da molécula de RNA podendo produzir milhares de nucleotídeos plausíveis. • Ao contrário do que creem alguns cientistas (espécie de vitalismo molecular), a natureza tende a formar moléculas com poucos carbonos. Moléculas maiores tendem a ser insolúveis e pobres em hidrogênio.

25. Problemas p/ a formação prebiótica de RNA (Shapiro): • Aminoácidos encontrados em experimentos com descarga elétrica são muito menos complexos do que nucleotídeos. Os aminoácidos e outras subst. produzidos no experimento de Miller continham 2 ou 3 carbonos. Nenhum nucleotídeo ou nucleosídeo já foi produzido nestes experimentos ou encontrado em meteoritos.

26. Problemas p/ a formação prebiótica de RNA (Shapiro): • Foi criada a disciplina Síntese Prebiótica em que se tentou mostrar que RNA e seus componentes podem ser criados em laboratório. Subst. org. produzidas em experimentos c/ descarga elet. ou encontradas em meteoritos, em qualquer quantidade e mesmo como parte de uma mistura complexa, classificadas como prebióticas, podem ser usadas de forma pura, em qualquer quant. em outra reação prebiótica.

27. Problemas p/ a formação prebiótica de RNA (Shapiro): • Na química sintética tradicional podem se utilizar kg de material para se obter mg do produto. Isto demonstra que seres humanos podem produzir (ineficientemente) subst. encontradas na natureza. Infelizmente, nem químicos nem laboratórios estavam presentes na Terra primitiva para produzirem RNA.

28. Problemas p/ a formação prebiótica de RNA (Shapiro): • Exemplo de síntese prebiótica (Nature, 1995) : citosina foi preparada aquecendo-se 2 subst. a 100 ̊C em um tubo selado p/ cerca de 1 dia. Cianoacetaldeído, um dos reagentes, pode se combinar com outras subst. que podiam estar presentes na Terra primitiva. Estes competidores foram excluídos e conc. extrem. alta foi necessária para induzir uréia (outro reag.) a reagir.

29. Problemas p/ a formação prebiótica de RNA (Shapiro): • Exemplo de síntese prebiótica (cont.): O produto, citosina, podia se auto-destruir por simples reação com a água. Qdo. a conc. de uréia era diminuída ou se permitia que a reação prosseguisse, toda citosina era destruída. P/ alta conc. de uréia invocou-se a noção de lagoa seca. Calcula-se que 1 grande lagoa teria que evaporar até uma poça sem perda de conteúdo. “Não existe algo assim”.

30. Problemas p/ a formação prebiótica de RNA (Shapiro): • No mesmo espírito da “lagoa seca”, outros químicos têm invocado lagos glaciais congelados, reservatórios de água fresca em flancos de montanha, correntes fluindo, praias, desertos secos, aquíferos vulcânicos e o oceano inteiro (congelados ou aquecidos qdo. necessário) para apoiar a existência da sopa de nucleotídeos para a síntese de RNA na Terra primitiva.

31. Problemas p/ a formação prebiótica de RNA (Shapiro): • Para fugir destas dificuldades, muitos químicos optaram por um replicador mais simples que teria surgido primeiro. Foram propostas variações em que as bases, o açúcar ou toda a espinha dorsal do RNA foram substituídos por subst. mais simples. • O aparecimento espontâneo de tal replicador enfrenta impossibilidades que tornam diminutas as envolvidas na prepar. de uma sopa de nucleot.

32. Dificuldades p/ a formação de outro replicador : • Supondo-se que 1 sopa com todos os componentes de todos estes replicadores se tivesse reunido sob condições favoráveis a sua formação, aglomerados de componentes defeituosos poderiam arruinar a cadeia como replicador. Uma unidade falha seria um terminador, 1 componente com apenas 1 “braço” para apoiar o crescimento da cadeia. Unidades se combinariam ao acaso produzindo curtos híbridos em vez da cadeia longa uniforme c/ funções catalit. e de replic.

33. Analogia (Shapiro)‏ • Jogador de golfe jogou uma bola através de 1 rota de 18 buracos, então presume que a bola jogaria a si mesma por esta rota. Ele mostrou a possibilidade, só é preciso imaginar uma combinação de forças (terremotos, ventos e inundações, p.ex.) que produziriam esse resultado dado tempo suficiente. Nenhuma lei física precisa ser violada para a formação espont. de RNA, mas as chances contra são imensas.

34. Outra Analogia (Shapiro)‏ • Um gorila em um imenso teclado conectado a um processador de palavras. O teclado contém os símbolos de todas as linguagens conhecidas armazenados em um computador. As chances da reunião espontânea de um replicador no 'pool' descrito pode ser comparada as do gorila compor, em inglês, uma receita de chili com carne.

35. Origem Metabólica • Alguns cientistas optaram p/ hipótese de que a vida teve início por meio de pequenas moléculas. • Robert Shapiro (prof. de química e pesquisador na New York Univ.), Freeman Dyson, Christian De Duve, Stuart Kauffman, Doron Lancet, Harold Morovitz e Günter Wächtershäuser.

36. Origem Metabólica • Esta abordagem de moléculas pequenas baseia-se nas idéias de Alexander Oparin. • Dyson propõe o conceito alemão de metabolismo (stoffwechsel): qualquer processo químico que ocorra em células. • Idéia básica: ciclo de reações químicas que acabaria por produzir compostos mais complexos.

37. Origem Metabólica • Shapiro descreveu 5 requisitos comuns às terorias do metabolismo primeiro: • Necessidade de uma fronteira separando vida de não vida • Uma fonte de energia para dirigir os processos de organização. • Mecanismo que acople a liberação de energia aos processos de organização que produzem e mantêm a vida.

38. Origem Metabólica • Uma rede química precisa ser formada para permitir adaptação e evolução: 1 reação redox energ. favorável de 1 mineral ligada à conversão de um composto A em 1 composto B dentro de 1 compartimento. A transf. de A em B é a reação propulsora. Se B se reconverte a A ou escapa do compart., isto seria 1 desvio de maior organiz. Uma via de multiplos passos reabasteceria o suprimento de A.

39. Origem Metabólica

40. Origem Metabólica • A rede deve crescer e se reproduzir: P/ sobreviver e crescer a rede deve adquirir material a 1 taxa que compense as rotas que o removem. A difusão de materiais para fora é favorecida pela entropia, reações secundárias podem produzir gases ou breu que escaparão da solução. Exaustão do combustível externo tb extinguiria a rede. Na Terra primitiva podem ter ocorrido muitos inícios assim.

41. Origem Metabólica • Sistemas de reprodução possíveis: Rede em uma membrana lipídica poderia ser dividida p/ forças físicas após crescer. Em um mineral poderia transbordar p/ compartimentos adjacentes. • A separação em unidades protegeria contra destruição por evento localizado. • As unidades poderiam evoluir e competir. • Vida da materia não viva que se adapta.

42. Origem Metabólica • Shapiro diz que ainda não foi demonstrada a operação de um ciclo completo que validasse a abordagem do metabolismo primeiro. Wächtershäuser e seus colegas demonstraram porções de um ciclo. • Orgel (2002) examinou as possibilidades destas teorias. Ele utiliza o exemplo do ciclo do ácido cítrico reverso proposto por Wächtershäuser.

43. Ciclo do Ácido Cítrico Reverso

44. Conclusões a que Orgel chegou: • É necessária muita habilidade sintética para desenvolver mesmo o mais simples dos ciclos. Olhar de perto a versão supersimplificada da reação da formose revelará as formidáveis dificuldades para o estabelecim. de 1 ciclo metab. complexo, não enzim., em sol. aquosa. • A reação da formose não ocorre em 1 taxa apreciável em condições neutras.

45. Reação da Formose

46. Conclusões a que Orgel chegou: • Mesmo em altos pHs a reação da formose é ineficiente s/ um íon met. divalente como catalisador. Cada passo de 1 ciclo deve ocorrer a 1 taxa razoável e isto depende de um catalisador apropriado. • Se 1 das reações não ocorre espont. ou p/ influência de 1 catalisador prebiótico, precisa-se de outra hipótese p/ manter a relevância do ciclo. Se várias, necessita-se de medidas desesperadas.

47. Conclusões a que Orgel chegou: • Uma possível hipótese salvadora: ciclo autocatalítico. Mas reações deste tipo em solução aquosa são desconhecidas. Não existe razão p/ crer que intermediários do ciclo do ácido cítrico catalisariam reações do ciclo. O motivo é que interações não covalentes entre moléculas peq. em sol. aquosa são geralm. muito fracas p/ permitir acelerações catalíticas extensas e regioespecíficas.

48. Conclusões a que Orgel chegou: • Postular 1 reação catalisada por 1 íon metálico pode ser razoável, mas 1 conjunto delas é apelar p/ mágica. • Outro problema além das reações que não ocorrem rápido o suficiente p/ tornar o ciclo prático seriam as reações alternativas que complicariam ou interromperiam o ciclo.

49. Conclusões a que Orgel chegou: • Mesmo p/ 1 ciclo genérico simples não seria razoável postular a presença de suficientes catalisadores prebióticos estereoespecíficos p/ 1 sequência de reações estereoespecíficas. S/ ajuda de enzimas ou catalisadores “projetados” tais ciclos parecem improváveis. • A hipótese de Wächtershäuser de ciclos na sup. de minerais de sulfeto de ferro poderias vencer as dificul. mencionadas.

50. Conclusões a que Orgel chegou: • Não existe justificativa p/ a predição de que um mineral catalisará um conjunto de muito diferentes reações. • Qualquer grupo de minerais que incluísse catalisadores p/ cada etapa do ciclo, incluiria, provavelmente, catalisadores p/ reações que interromperiam o ciclo. Transporte eficiente dos intermediários de um mineral catalítico p/ outro também seria um problema.