A debugagem - Parte 1
Por incrível que pareça, a partir de uma maravilhosa revisão de artigos sobre a evolução do metabolismo feita por defensores do D.I.. - reasonandscience.heavenforum.org
Um comentário - obviamente maldoso: O que eles produzem não é naturalmente (ironia!0 confuso e desorganizado?
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Leslie E Orgel; The Implausibility of Metabolic Cycles on the Prebiotic Earth, ESSAY - journals.plos.org
Conclusão
A demonstração da existência de um complexo ciclo metabólico, não enzimático, tal como o ácido cítrico reverso, seria um passo importante em pesquisa sobre a origem da vida, enquanto demonstração de uma família de evolução de tais ciclos transformaria o assunto. Tendo em vista a importância do tema, é essencial submeter propostas metabólicas para o mesmo tipo de exame detalhado e críticas de que tem sido corretamente aplicada às teorias genéticas. No caso destas últimos teorias, a apreciação do plausibilidade pode ser baseada em um corpo substancial de trabalho experimental. No caso do primeiro, porque pouco trabalho experimental foi tentado, avaliação deve ser baseada em plausibilidade química.
Quase todas as propostas de ciclos metabólicos hipotéticos têm reconhecido que cada um dos passos envolvidos deve ocorrer rapidamente o suficiente para o ciclo ser útil no tempo disponível para o seu funcionamento. Presume-se sempre que esta condição é satisfeita, mas em nenhum caso tem-se argumentos de apoio convincentes apresentadas. Assim deve-se acreditar que um conjunto de minerais que sejam capazes de catalisar cada um dos vários passos do ciclo do ácido cítrico reverso estava presente em qualquer parte da primitiva Terra, ou que o ciclo organizou-se de maneira misteriosa própria topograficamente numa superfície de sulfeto metálico? A falta de um fundo de apoio em química é ainda mais evidente nas propostas que os ciclos metabólicos podem evoluir para a complexidade "tal como vida". O mais sério desafio para os proponentes de teorias de ciclos metabólicos — problemas apresentados pela falta de especificidade da maioria de catalisadores não enzimáticas — se, em geral, não foram apreciados. Se tiveram, pelo que foi ignorado. Teorias da origem da vida com base em ciclos metabólicos não podem ser justificados pela inadequação das teorias concorrentes: elas devem ficar por conta própria.
Quase todas as propostas de ciclos metabólicos hipotéticos têm reconhecido que cada um dos passos envolvidos deve ocorrer rapidamente o suficiente para o ciclo ser útil no tempo disponível para o seu funcionamento. Presume-se sempre que esta condição é satisfeita, mas em nenhum caso tem-se argumentos de apoio convincentes apresentadas. Assim deve-se acreditar que um conjunto de minerais que sejam capazes de catalisar cada um dos vários passos do ciclo do ácido cítrico reverso estava presente em qualquer parte da primitiva Terra, ou que o ciclo organizou-se de maneira misteriosa própria topograficamente numa superfície de sulfeto metálico? A falta de um fundo de apoio em química é ainda mais evidente nas propostas que os ciclos metabólicos podem evoluir para a complexidade "tal como vida". O mais sério desafio para os proponentes de teorias de ciclos metabólicos — problemas apresentados pela falta de especificidade da maioria de catalisadores não enzimáticas — se, em geral, não foram apreciados. Se tiveram, pelo que foi ignorado. Teorias da origem da vida com base em ciclos metabólicos não podem ser justificados pela inadequação das teorias concorrentes: elas devem ficar por conta própria.
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Aaron David Goldman , John A. Baross, Ram Samudrala; The Enzymatic and Metabolic Capabilities of Early Life
Abstract
Introduzimos o conceito de metaconsenso e o empregamos para fazer previsões de alta confiança de funções enzimáticas precoces e as propriedades metabólicas que podem ter produzido. Vários estudos independentes têm utilizado métodos de bioinformática comparativa para identificar taxonomicamente características gerais de dados de seqüência de genoma, dados da estrutura de proteínas e dados de via metabólica, a fim de prever características fisiológicas que estavam presentes em formas iniciais de vida, ancestrais. Mas todos esses métodos carregam com eles algum nível de viés técnico. Aqui, a referência cruzada dos resultados destes estudos anteriores para determinar as antigas funções enzimáticas previstas por vários métodos.
Fizemos um levantamento das vias metabólicas modernas para identificar aquelas que mantêm a maior frequência de enzimas metaconsenso. Usando o conjunto de reações modernas catalisadas por estas funções enzimáticas metaconsenso, reconstruímos uma rede metabólica representativa que pode refletir o metabolismo do núcleo de formas iniciais de vida. Nossos resultados mostram que as funções de dez enzimas, quatro hidrolases, três transferases, uma oxidoredutase, uma liase e uma ligase, são determinadas por metaconsenso de estar presente, pelo menos, tão tardia como o último ancestral comum universal. Sub-redes em processos metabólicos centrais relacionadas com o açúcar e o metabolismo do amido, biossíntese de aminoácidos, o metabolismo de fosfolipídios e biossíntese CoA, têm altas frequências destas funções enzimáticas. Nós demonstramos que uma grande rede metabólica pode ser gerada a partir deste pequeno número de funções enzimáticas.
Fizemos um levantamento das vias metabólicas modernas para identificar aquelas que mantêm a maior frequência de enzimas metaconsenso. Usando o conjunto de reações modernas catalisadas por estas funções enzimáticas metaconsenso, reconstruímos uma rede metabólica representativa que pode refletir o metabolismo do núcleo de formas iniciais de vida. Nossos resultados mostram que as funções de dez enzimas, quatro hidrolases, três transferases, uma oxidoredutase, uma liase e uma ligase, são determinadas por metaconsenso de estar presente, pelo menos, tão tardia como o último ancestral comum universal. Sub-redes em processos metabólicos centrais relacionadas com o açúcar e o metabolismo do amido, biossíntese de aminoácidos, o metabolismo de fosfolipídios e biossíntese CoA, têm altas frequências destas funções enzimáticas. Nós demonstramos que uma grande rede metabólica pode ser gerada a partir deste pequeno número de funções enzimáticas.
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Chris Impey, Jonathan Lunine, José Funes; Frontiers of Astrobiology; Cambridge University Press, 2012. pg 60 - books.google.com.br - www.cambridge.org
Observação: Tradução com algumas modificações pretendendo tornar mais fácil a leitura.
Metabolismo “Terrano”, Os primeiros bilhões de anos
Shelley Copley e Roger Summons
A rede metabólica núcleo do LUCA foi de muitas maneiras notavelmente semelhante aos encontrados na vida (atualmente) existente. Esta afirmação baseia-se em duas linhas de evidências.
Em primeiro lugar, tal como mencionado acima, as vias para a síntese de aminoácidos e de nucleotídeos são idênticas ou quase idênticas em Archaea, bactérias, e eucariotas. O TCA, ou ciclo do ácido cítrico, está presente em representantes de todos os domínios da vida, embora em alguns organismos só algumas partes do ciclo estão presentes, e em outros o ciclo corre em sentido inverso.
É extremamente improvável que as mesmas sequências de reações que foram “inventadas”, independentemente, em diferentes linhagens. (A não ser que um designer o tenha feito!) A segunda linha de evidência baseia-se no conteúdo do gene predito de LUCA. Avaliar as capacidades metabólicas de LUCA é um desafio, porque o conteúdo de enzimas metabólicas nos organismos existentes foi moldado por vários processos. Os genes que codificam enzimas metabólicas podem ser herdados verticalmente a partir de progenitores diretos.
Eles também podem ser obtidos por duplicação de genes e função de divergência entre os homólogos resultantes pré-existentes, assim como por transferência horizontal de genes entre os micróbios, que tem sido galopante ao longo de toda a história da vida. Para complicar ainda mais o quadro, genes que codificam enzimas metabólicas são frequentemente perdidos quando eles não são necessários, nomeadamente nichos ambientais.
Como consequência, alguns genes que codificam enzimas metabólicas são encontrados em 100% de taxa de qualquer domínio da vida. (Note-se o contraste entre esta situação e a conservação universal dos ribossomas; a síntese de proteínas é necessária em todos os nichos do ambiente, de modo que os genes que codificam o RNA ribossômico nunca serão perdidos).
Um gene que é encontrado em 40% de todos os taxa pode ter estado presente em LUCA e, posteriormente, perdido em muitas linhagens, ou pode ter se originado em uma linhagem e, em seguida, apareceu em outras linhagens através de transferência horizontal de genes.
A decisão entre estas explicações alternativas requer suposições sobre as frequências relativas de transferência horizontal de genes e perda de genes. Análises criteriosas que levam em conta estas incertezas sugerem que LUCA continha algumas centenas de genes; Mirkin et ai. (2003) estimaram que o LUCA continha 572 genes.
Em um estudo posterior com um conjunto de dados maior, Ouzounis et al. (2006) estimaram que LUCA continha 669 genes. Notavelmente, os genes que codificam as enzimas para a síntese de aminoácidos e de nucleótidos, para o ciclo de TCA, e para a degradação da glucose, são previstos como tendo estado presente em LUCA, em ambos os estudos.
Assim, podemos estar razoavelmente confiantes de que, até LUCA, muitas vias metabólicas principais estavam firmemente no lugar. Além disso, uma cadeia de transporte de elétrons funcionais tinham surgido por LUCA, como genes que codificam para subunidades de enzimas NADH desidrogenase, succinato desidrogenase, e a citocromo b subunidade do complexo citocromo bc estão previstos como tendo estado presentes.
A cadeia de transporte de elétrons provável realizava a sua função corrente de gerar um gradiente de íons através da membrana, uma vez que o genoma de LUCA reconstruído codifica várias das subunidades da enzima sintase F0F1 ATP que utiliza a energia armazenada em um gradiente de íons que conduz a síntese de ATP.
Claramente LUCA capturava energia a partir de processos redox, mas não podem ser determinados os tipos específicos de doadores e receptores de elétrons que foram utilizados. Embora o núcleo do metabolismo moderno tenha surgido no momento de LUCA, uma quantidade considerável de inovação ocorreu na medida que micróbios proliferam na Terra, adaptados para diversos habitats e ecossistemas caracterizados por ambas as interações sintróficas e competitivas entre espécies estabelecidas.
Existentes bactérias de vida livre que tem tipicamente 1.000 a 2.000 enzimas; Streptomyces coelicolor é prevista como tendo mais de 2.800 enzimas (Freilich et al., 2005). Esta dramática expansão da capacidade metabólica ocorreu tanto pela aquisição de novas dobras de proteína e por duplicação de genes e divergência que permitiu novos usos de dobras de proteínas existentes.
Em primeiro lugar, tal como mencionado acima, as vias para a síntese de aminoácidos e de nucleotídeos são idênticas ou quase idênticas em Archaea, bactérias, e eucariotas. O TCA, ou ciclo do ácido cítrico, está presente em representantes de todos os domínios da vida, embora em alguns organismos só algumas partes do ciclo estão presentes, e em outros o ciclo corre em sentido inverso.
É extremamente improvável que as mesmas sequências de reações que foram “inventadas”, independentemente, em diferentes linhagens. (A não ser que um designer o tenha feito!) A segunda linha de evidência baseia-se no conteúdo do gene predito de LUCA. Avaliar as capacidades metabólicas de LUCA é um desafio, porque o conteúdo de enzimas metabólicas nos organismos existentes foi moldado por vários processos. Os genes que codificam enzimas metabólicas podem ser herdados verticalmente a partir de progenitores diretos.
Eles também podem ser obtidos por duplicação de genes e função de divergência entre os homólogos resultantes pré-existentes, assim como por transferência horizontal de genes entre os micróbios, que tem sido galopante ao longo de toda a história da vida. Para complicar ainda mais o quadro, genes que codificam enzimas metabólicas são frequentemente perdidos quando eles não são necessários, nomeadamente nichos ambientais.
Como consequência, alguns genes que codificam enzimas metabólicas são encontrados em 100% de taxa de qualquer domínio da vida. (Note-se o contraste entre esta situação e a conservação universal dos ribossomas; a síntese de proteínas é necessária em todos os nichos do ambiente, de modo que os genes que codificam o RNA ribossômico nunca serão perdidos).
Um gene que é encontrado em 40% de todos os taxa pode ter estado presente em LUCA e, posteriormente, perdido em muitas linhagens, ou pode ter se originado em uma linhagem e, em seguida, apareceu em outras linhagens através de transferência horizontal de genes.
A decisão entre estas explicações alternativas requer suposições sobre as frequências relativas de transferência horizontal de genes e perda de genes. Análises criteriosas que levam em conta estas incertezas sugerem que LUCA continha algumas centenas de genes; Mirkin et ai. (2003) estimaram que o LUCA continha 572 genes.
Em um estudo posterior com um conjunto de dados maior, Ouzounis et al. (2006) estimaram que LUCA continha 669 genes. Notavelmente, os genes que codificam as enzimas para a síntese de aminoácidos e de nucleótidos, para o ciclo de TCA, e para a degradação da glucose, são previstos como tendo estado presente em LUCA, em ambos os estudos.
Assim, podemos estar razoavelmente confiantes de que, até LUCA, muitas vias metabólicas principais estavam firmemente no lugar. Além disso, uma cadeia de transporte de elétrons funcionais tinham surgido por LUCA, como genes que codificam para subunidades de enzimas NADH desidrogenase, succinato desidrogenase, e a citocromo b subunidade do complexo citocromo bc estão previstos como tendo estado presentes.
A cadeia de transporte de elétrons provável realizava a sua função corrente de gerar um gradiente de íons através da membrana, uma vez que o genoma de LUCA reconstruído codifica várias das subunidades da enzima sintase F0F1 ATP que utiliza a energia armazenada em um gradiente de íons que conduz a síntese de ATP.
Claramente LUCA capturava energia a partir de processos redox, mas não podem ser determinados os tipos específicos de doadores e receptores de elétrons que foram utilizados. Embora o núcleo do metabolismo moderno tenha surgido no momento de LUCA, uma quantidade considerável de inovação ocorreu na medida que micróbios proliferam na Terra, adaptados para diversos habitats e ecossistemas caracterizados por ambas as interações sintróficas e competitivas entre espécies estabelecidas.
Existentes bactérias de vida livre que tem tipicamente 1.000 a 2.000 enzimas; Streptomyces coelicolor é prevista como tendo mais de 2.800 enzimas (Freilich et al., 2005). Esta dramática expansão da capacidade metabólica ocorreu tanto pela aquisição de novas dobras de proteína e por duplicação de genes e divergência que permitiu novos usos de dobras de proteínas existentes.
Para chegar até LUCA
É notável que podemos inferir muitas das características de uma forma de vida que existia há 3,8 mil milhões de anos. A evidência sugere que a LUCA foi uma forma de vida sofisticada, capaz de replicar o seu genoma (que pode ter consistido de RNA), a síntese de proteínas geneticamente codificadas utilizando ribossomas, e sintetizando os blocos de construção de nucleotídeos e aminoácidos de macromoléculas.
Infelizmente, a parte mais intrigante da história da origem da vida, os processos que levaram à origem do metabólica complexa e sistemas genéticos de LUCA, está fora do alcance de qualquer evidência física ou bioinformática rigorosa. Podemos conjecturar sobre esses processos, mas neste reino da especulação há muito mais controvérsia. Uma hipótese elegante sobre o progenitor de LUCA foi apresentada por Carl Woese (Woese 1998). Woese definiu o "progenota" como uma entidade em que a transcrição tinha acabado de surgir, mas "não se desenvolveu a tal ponto que as proteínas do tipo moderno poderiam surgir."
O progenota, como o progenitor do LUCA, é também um ancestral universal da vida , mas nós o distinguimos de LUCA nesta discussão porque falta o processo de tradução (síntese) exato necessário para a produção confiável de grandes proteínas que são necessárias para a replicação do genoma fiel e catálise eficiente das reações metabólicas. Woese propôs que o progenota era um organismo comum na qual a informação genética foi amplamente compartilhada.
Estratégias para a replicação, transcrição, tradução e metabolismo teriam sido explorados, refinados e partilhados dentro toda a comunidade. A proposta que o progenota era um organismo comum se encaixa muito bem com a proposição mencionado acima que compartimentalização nas primeiras fases da vida foi fornecida pelas paredes porosas de fontes hidrotermais, ao invés de membranas lipídicas que teriam fornecido uma barreira significativa à transferência da genética em formação.
Woese sugeriu que a replicação do genoma e tradução no progenota eram rudimentares e imprecisos, uma hipótese razoável, já que a replicação e a tradução não poderiam ter surgido em existência em suas formas sofisticadas presentes. replicação imprecisa provavelmente teria limitado o tamanho do genoma progenota devido ao risco de "catástrofe de erro", a acumulação de tantos erros genéticos tantos que o organismo deixa de ser viável.
Para ilustrar este ponto, consideramos o problema da replicação de um genoma de um milhão de bases, o que é suficiente para codificar algumas centenas de RNA e proteínas. (O menor genoma conhecido por uma bactéria de vida livre existente é a da Pelagibacter ubique, que consiste de 1,3 milhões de bases.) Se a replicação foi ainda modestamente fiel, com uma frequência de erro de 0,1%, cada replicação de um genoma consistindo de um milhão bases iria resultar em erros de 1000, aproximadamente um ou dois em cada gene. Alguns desses erros teria sido inofensivos, e alguns podem ter sido benéficos, mas muitos teriam sido prejudiciais, levando à macromoléculas com funções prejudicadas. Replicação imprecisa pode ter exigido ao progenota manter várias cópias de cada cromossomo para fornecer redundância genética.
Infelizmente, a parte mais intrigante da história da origem da vida, os processos que levaram à origem do metabólica complexa e sistemas genéticos de LUCA, está fora do alcance de qualquer evidência física ou bioinformática rigorosa. Podemos conjecturar sobre esses processos, mas neste reino da especulação há muito mais controvérsia. Uma hipótese elegante sobre o progenitor de LUCA foi apresentada por Carl Woese (Woese 1998). Woese definiu o "progenota" como uma entidade em que a transcrição tinha acabado de surgir, mas "não se desenvolveu a tal ponto que as proteínas do tipo moderno poderiam surgir."
O progenota, como o progenitor do LUCA, é também um ancestral universal da vida , mas nós o distinguimos de LUCA nesta discussão porque falta o processo de tradução (síntese) exato necessário para a produção confiável de grandes proteínas que são necessárias para a replicação do genoma fiel e catálise eficiente das reações metabólicas. Woese propôs que o progenota era um organismo comum na qual a informação genética foi amplamente compartilhada.
Estratégias para a replicação, transcrição, tradução e metabolismo teriam sido explorados, refinados e partilhados dentro toda a comunidade. A proposta que o progenota era um organismo comum se encaixa muito bem com a proposição mencionado acima que compartimentalização nas primeiras fases da vida foi fornecida pelas paredes porosas de fontes hidrotermais, ao invés de membranas lipídicas que teriam fornecido uma barreira significativa à transferência da genética em formação.
Woese sugeriu que a replicação do genoma e tradução no progenota eram rudimentares e imprecisos, uma hipótese razoável, já que a replicação e a tradução não poderiam ter surgido em existência em suas formas sofisticadas presentes. replicação imprecisa provavelmente teria limitado o tamanho do genoma progenota devido ao risco de "catástrofe de erro", a acumulação de tantos erros genéticos tantos que o organismo deixa de ser viável.
Para ilustrar este ponto, consideramos o problema da replicação de um genoma de um milhão de bases, o que é suficiente para codificar algumas centenas de RNA e proteínas. (O menor genoma conhecido por uma bactéria de vida livre existente é a da Pelagibacter ubique, que consiste de 1,3 milhões de bases.) Se a replicação foi ainda modestamente fiel, com uma frequência de erro de 0,1%, cada replicação de um genoma consistindo de um milhão bases iria resultar em erros de 1000, aproximadamente um ou dois em cada gene. Alguns desses erros teria sido inofensivos, e alguns podem ter sido benéficos, mas muitos teriam sido prejudiciais, levando à macromoléculas com funções prejudicadas. Replicação imprecisa pode ter exigido ao progenota manter várias cópias de cada cromossomo para fornecer redundância genética.
Pelagibacter ubique - Images Video Information
Uma consequência importante - e favorável - de taxas de erro elevadas, juntamente com alta redundância genética, teria sido uma maior capacidade para explorar o espaço de sequências e, consequentemente, uma elevada taxa de inovação evolutiva. A redundância fornecida por várias cópias de cromossomos significaria que uma cópia funcional de um gene estava sempre disponível como um backup, mesmo que a taxa de mutação elevada permitisse uma grande quantidade de experimentação.
Quando um gene que codifica uma macromolécula melhorada foi descoberto, pode substituir a versão anterior e serve como ponto de partida para a experimentação subsequente. Este processo teria provavelmente resultado em testes relativamente eficientes de uma variedade de soluções para os problemas de replicação do genoma, a produção de proteínas, o aproveitamento da energia a partir do ambiente, e sintetizando os blocos de construção das macromoléculas.
As vias metabólicas que estavam presentes na LUCA evoluíram na medida que o progenota aprendeu a sintetizar os blocos de construção das macromoléculas que, inicialmente, foram fornecidas pelo ambiente, quer por entrega da atmosfera ou espaço ou por processos geoquímicos. Isso é um exemplo perfeito de uma afirmação pseudo-científica feita sem provas. As primeiras vias metabólicas provavelmente invocaram “enzimas generalistas” do que certas reações catalisadas genéricas (por exemplo, a redução de um grupo carbonilo ou a fosforilação de um carboxilato), provavelmente com relativamente baixa eficiência e baixa especificidade de substrato. Assim, o número de reações que foram incluídos numa rede metabólica precoce teria sido muito maior do que o número real de catalisadores.
Na medida que o progenota evoluiu para LUCA, tanto o número de enzimas e a sua especificidade provavelmente teriam aumentado. Mais enzimas específicas são vantajosas por diversas razões. Primeiro, um aumento da especificidade pode aumentar o poder catalítico, porque um substrato pode ser orientado de forma mais precisa em relação ao sítio ativo do maquinário celular. O aumento da especificidade também diminui o potencial para a catálise de reações secundárias indesejáveis quando certos substratos não podem ser excluídas do local ativo. Finalmente, a catálise de reações em mais do que um percurso por uma enzima generalista torna difícil otimizar fluxos em relação a produtos que podem ser necessários em quantidades muito diferentes.
Na medida que o progenota evoluiu para LUCA, tanto o número de enzimas e a sua especificidade provavelmente teriam aumentado. Mais enzimas específicas são vantajosas por diversas razões. Primeiro, um aumento da especificidade pode aumentar o poder catalítico, porque um substrato pode ser orientado de forma mais precisa em relação ao sítio ativo do maquinário celular. O aumento da especificidade também diminui o potencial para a catálise de reações secundárias indesejáveis quando certos substratos não podem ser excluídas do local ativo. Finalmente, a catálise de reações em mais do que um percurso por uma enzima generalista torna difícil otimizar fluxos em relação a produtos que podem ser necessários em quantidades muito diferentes.
Metabolismo em um mundo "RNA"
O progenota descrito por Woese é definida como um organismo no qual a tradução tinha acabado de surgir. Uma forma ainda mais primitiva de vida deve ter existido antes do progenota. Esta forma de vida pode ter tido um genoma de RNA, uma rede metabólica, e possivelmente, pequenos peptídeos, mas ainda nenhuma proteína enzima de tradução tinha ainda sido “inventada”. (!) (O termo "proteína" é normalmente reservada para os polipeptídeos codificados geneticamente que são produzidos pelo ribossoma.) Nesta forma de vida, moléculas de RNA (ou um ácido nucleico semelhante) pode ter servido tanto como material genético como catalisadores para a replicação do genoma, bem como para reações metabólicas. Numerosos exemplos de vírus de RNA que têm genoma de RNA e cópia de RNA diretamente em RNA (sem um intermediário de DNA) apoiam a ideia de que um genoma não precisa consistir em DNA. A ideia de que os ácidos nucleicos foram os primeiros catalisadores macromoleculares foi proposto pela primeira vez na década de 1960, e ganhou força a partir da demonstração da catálise por moléculas de RNA nos laboratórios de Cech e Altman no início de 1980 (Kruger et al. 1982, Guerrier-Takada et al., 1983).
Desde então, as ribozimas (moléculas de RNA catalíticas) gerados por métodos de evolução in vitro têm sido mostrados como catalisando uma ampla gama de reações envolvidas no metabolismo, incluindo a ativação de aminoácidos (Kumar e Yarus 2001), formação de coenzima A (CoA), nicotinamida-adenina dinucleotídeo (NAD), e dinucleotídeo de flavina adenina (FAD) de 4-fosfopanteteína, mononucleótido de nicotinamida (NMN) e flavina mononucleotídeo (FMN), respectivamente (Huang et al., 2000), síntese da ligação peptídica (Illangasekare e Yarus 1999), e condensação aldólica (Fusz et al., 2005). Assim, parece que as moléculas de RNA poderiam ter catalisado todas as reações necessárias para sustentar a vida.
O primeiro catalisador de ácido nucleico não pode realmente ter sido o ácido ribonucleico, o qual tem uma cadeia principal com base no açúcar ribose. Os ácidos nucleicos com estruturas de esqueleto alternativas intrigantes incluem ácido treonucleico (TNA) (Eschenmoser 1,999, Schoning et al., 2000), o ácido nucleico peptídico (PNA) (Nielsen, 2007), e glicol de ácido nucleico (GNA) (Zhang et al., 2005). (Esta incerteza é a razão para a inclusão de RNA entre aspas no título desta seção.) Além disso, os ácidos nucleicos iniciais podem muito bem ter contido outras do que as quatro bases canónicas encontrados nas atuais bases do RNA.
Nota: Merece tradução: gl.wikipedia.org - Ácido treonucleico
Desde então, as ribozimas (moléculas de RNA catalíticas) gerados por métodos de evolução in vitro têm sido mostrados como catalisando uma ampla gama de reações envolvidas no metabolismo, incluindo a ativação de aminoácidos (Kumar e Yarus 2001), formação de coenzima A (CoA), nicotinamida-adenina dinucleotídeo (NAD), e dinucleotídeo de flavina adenina (FAD) de 4-fosfopanteteína, mononucleótido de nicotinamida (NMN) e flavina mononucleotídeo (FMN), respectivamente (Huang et al., 2000), síntese da ligação peptídica (Illangasekare e Yarus 1999), e condensação aldólica (Fusz et al., 2005). Assim, parece que as moléculas de RNA poderiam ter catalisado todas as reações necessárias para sustentar a vida.
O primeiro catalisador de ácido nucleico não pode realmente ter sido o ácido ribonucleico, o qual tem uma cadeia principal com base no açúcar ribose. Os ácidos nucleicos com estruturas de esqueleto alternativas intrigantes incluem ácido treonucleico (TNA) (Eschenmoser 1,999, Schoning et al., 2000), o ácido nucleico peptídico (PNA) (Nielsen, 2007), e glicol de ácido nucleico (GNA) (Zhang et al., 2005). (Esta incerteza é a razão para a inclusão de RNA entre aspas no título desta seção.) Além disso, os ácidos nucleicos iniciais podem muito bem ter contido outras do que as quatro bases canónicas encontrados nas atuais bases do RNA.
Nota: Merece tradução: gl.wikipedia.org - Ácido treonucleico
Embora catálise por ácidos nucleicos só foi demonstrada para o RNA e DNA, é provável que os tipos alternativos de ácidos nucleicos também possam catalisar reações químicas. Embora ribozimas foram mostrados como catalisando uma variedade impressionante de reações, a catálise no mundo "RNA" provavelmente não era a alçada exclusiva de ácidos nucleicos. Superfícies minerais, íons metálicos solúveis em água e pequenas moléculas, incluindo aminoácidos e péptidos, podem também catalisar reações químicas. Estes componentes presumivelmente catalisaram reações antes do advento de ácidos nucleicos macromoleculares.
Mesmo depois de catalisadores ácidos nucleicos surgirem, íons metálicos e pequenas moléculas poderia ter melhorado as suas capacidades catalíticas, quer através da estabilização das estruturas necessárias para a catálise ou participando diretamente na catálise (Copley et al., 2007, Cech 2009).
O metabolismo existente assemelha-se a redes proto-metabólicas primordiais?
A estrutura da rede metabólica na vida existente é ditada pela disponibilidade de catalisadores, e isto teria sido verdadeiro também durante todas as fases do surgimento de vida. Catalisadores definem a estrutura de redes metabólicas através da aceleração do fluxo através de certas reações à custa das reações concorrentes mais lentas. Por exemplo, um catalisador que acelera a velocidade de uma das possíveis reações de uma molécula numa taxa de um para 50 vezes, relativamente modesto, altera a distribuição dos produtos ao ponto em que um produto predomina e os outros são formados apenas em quantidades muito pequenas. A figura 3.6 estende esta ideia para o efeito de vários catalisadores numa rede química mais complicada, e ilustra como a disponibilidade de diferentes conjuntos de catalisadores resulta em diferentes topologias de rede e formação de produtos finais diferentes.
Como discutido acima, as vias biossintéticas em organismos existentes assemelha-se claramente aqueles em LUCA. Uma pergunta mais difícil é se o metabolismo em LUCA refletiu a estrutura de uma rede de reação pré-existente proto-metabólica, ou substituídos de uma rede de reação pré-existente proto-metabólica. No primeiro cenário, vias metabólicas poderiam ter permanecido em grande parte as mesmas, enquanto sempre catalisadores mais eficientes eram recrutados (como eles deveriam se tornar mais eficientes? Tentativa e erro?) Para facilitar as reações individuais, levando a uma transição suave desde as primeiras fases de catálises minerais e de pequenas moléculas, por um estágio intermediário envolvendo proto-RNA e catalisadores de RNA (provavelmente com auxiliares catalíticos fornecidos por aminoácidos, peptídeos, e os co-fatores) e, finalmente, para as enzimas proteicas. Um ponto a favor deste argumento é que é, sem dúvida, mais fácil de corrigir um único catalisador em uma via de funcionamento do que inventar de novo um caminho totalmente diferente cuja eficiência ultrapassa a de um caminho previamente existente.
Uma segunda hipótese é que as modernas vias metabólicas foram completamente vias primordiais substituídas devido ao advento dos catalisadores mais eficazes, provavelmente na fase do mundo de RNA (Benner et al., 1989). Este ponto de vista baseia-se no pressuposto de que um grande número de catalisadores altamente eficazes surgiu no mundo do RNA, ou pelo menos por LUCA, que juntos permitiram fluxo através de vias que nunca antes tinha sido acessíveis. (Estes são pressupostos que não podem ser apoiadas por elementos de prova) No contexto da Figura 3.6, isto corresponderia a uma comutação entre os conjuntos de catalisadores com consequente reconstrução da topologia da rede. A resposta a esta pergunta provavelmente está em algum lugar entre essas duas teorias opostas.
A ideia de que o metabolismo moderno é executado ao longo de caminhos que foram estabelecidas antes do surgimento de LUCA é atraente do ponto de vista da continuidade entre pré-vida e vida, e por causa de que o recrutamento de catalisadores um de cada vez seja mais provável do que o recrutamento de vários catalisadores em simultâneo para permitir uma via inteiramente nova. No entanto, o recrutamento de vários catalisadores em simultâneo para permitir uma nova via certamente pode ocorrer uma vez que haja um conjunto suficiente de catalisadores.
Como discutido acima, as vias biossintéticas em organismos existentes assemelha-se claramente aqueles em LUCA. Uma pergunta mais difícil é se o metabolismo em LUCA refletiu a estrutura de uma rede de reação pré-existente proto-metabólica, ou substituídos de uma rede de reação pré-existente proto-metabólica. No primeiro cenário, vias metabólicas poderiam ter permanecido em grande parte as mesmas, enquanto sempre catalisadores mais eficientes eram recrutados (como eles deveriam se tornar mais eficientes? Tentativa e erro?) Para facilitar as reações individuais, levando a uma transição suave desde as primeiras fases de catálises minerais e de pequenas moléculas, por um estágio intermediário envolvendo proto-RNA e catalisadores de RNA (provavelmente com auxiliares catalíticos fornecidos por aminoácidos, peptídeos, e os co-fatores) e, finalmente, para as enzimas proteicas. Um ponto a favor deste argumento é que é, sem dúvida, mais fácil de corrigir um único catalisador em uma via de funcionamento do que inventar de novo um caminho totalmente diferente cuja eficiência ultrapassa a de um caminho previamente existente.
Uma segunda hipótese é que as modernas vias metabólicas foram completamente vias primordiais substituídas devido ao advento dos catalisadores mais eficazes, provavelmente na fase do mundo de RNA (Benner et al., 1989). Este ponto de vista baseia-se no pressuposto de que um grande número de catalisadores altamente eficazes surgiu no mundo do RNA, ou pelo menos por LUCA, que juntos permitiram fluxo através de vias que nunca antes tinha sido acessíveis. (Estes são pressupostos que não podem ser apoiadas por elementos de prova) No contexto da Figura 3.6, isto corresponderia a uma comutação entre os conjuntos de catalisadores com consequente reconstrução da topologia da rede. A resposta a esta pergunta provavelmente está em algum lugar entre essas duas teorias opostas.
A ideia de que o metabolismo moderno é executado ao longo de caminhos que foram estabelecidas antes do surgimento de LUCA é atraente do ponto de vista da continuidade entre pré-vida e vida, e por causa de que o recrutamento de catalisadores um de cada vez seja mais provável do que o recrutamento de vários catalisadores em simultâneo para permitir uma via inteiramente nova. No entanto, o recrutamento de vários catalisadores em simultâneo para permitir uma nova via certamente pode ocorrer uma vez que haja um conjunto suficiente de catalisadores.
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