FASES EUTÉTICAS NO GELO FACILITAM A SÍNTESE PRÉ-BIÓTICA DE ÁCIDOS NUCLEICOS.

Em certos ambientes metais podem catalizar não-enzimáticamente a polimerização do RNA.  Mas para compreender o que isto significa, precisamos voltar ao fundamental II e lembrar certos conceitos de química básica, ou seja, recordar o conceito de misturas eutéticas e azeotrópicas.

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Mistura Eutética – como uma forma de cristais de gelo e moléculas de água removem impurezas como sal ou cianeto. Estas impurezas aglomeram-se em bolsas microscópicas com líquido dentro do gelo e permitem a formação de uma variedade de macromoléculas, tais como os nucleotídios. O ambiente frio também estabiliza os produtos por abrandar a evaporação.

Uma solução eutética é uma mistura que comporta como uma substância pura no processo de fusão. Isso significa que a temperatura mantém-se inalterada do início ao fim da fusão (ou seja, tem o ponto de fusão constante). Isso ocorre em ligas metálicas, como no processo de solda onde o ponto de fusão do estanho e chumbo (183 °C) é menor que o de seus componentes isolados (232 °C para estanho e 327 °C para chumbo).

Já uma mistura azeotrópica se comporta como se fosse substância pura em relação à ebulição, isto é, a temperatura mantém-se inalterada do início ao fim da ebulição (ponto de fusão constante). Isso ocorre no álcool etílico, acetona, água, metanol e clorofórmio (Mundo Educação).

Sabendo disto, para que reações sintéticas possam ocorrer, é necessária a presença de água líquida e que compostos orgânicos estejam disponíveis em concentrações suficientes para que a polimerização ocorra, e com isso, a origem da vida. No início do sistema solar, apenas alguns objetos planetários (Terra, Marte e possivelmente o satélite Europa) tinham incorporado um conjunto de fatores favoráveis a origem da vida.

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Dependendo da pressão e da concentração de solutos iónicos, a água líquida pode variar na temperatura de 0 a 300°C. As temperaturas mais elevadas promovem reações de degradação, como hidrólise e pirólise, o que sugere que temperatura mais baixas seriam mais favorável para a origem da vida.

Temperaturas baixas ocorrem em superficies planetárias ainda hoje, e Bada e amigos (1994) propuseram que os compostos orgânicos poderiam ter sido preservados em grandes formações de gelo na Terra primitiva.

Simular vias sintéticas pré-bióticas para a formação de polímeros exige um aparato não enzimático que realize o processo de polimerização. Alguns metais podem fazer este papel (Sawai, 1990) e a sintese pode ser catalisada por íons de montmorilonita (MMT) (Ferris et al, 1996, Orgel 1998), pode ser dirigida por molde, ou ainda por um sistema de síntese polinucleótido em solução aquosa.

O sucesso de todos os três modelos precisa necessariamente de mono-ribonucleotidios-fosfoimidazol, introduzido pela primeira vez por Orgel e que polimerizaram espontaneamente em uma mistura de RNAs 3’-5’ e 2’-5’. Estes derivados mostraram ser os melhores blocos de construção do que o nucleotídios não ativados na presença de agentes de condensação (Lohrmann e Orgel, 1973).

A plausibilidade prebiótica de vários aspectos desses modelos tem sido questionada devido ao baixo rendimento. Por exemplo, a síntese catalisada por íons metálicos normalmente produz oligonucleótidos formados por não mais do que 5 monômeros (pentâmeros) e a síntese dirigida por moldes exige a presença de um polinucleótido pré-formado por outras vias. Além disto, ambas as sínteses (por molde e por MMT) exibem uma preferência na incorporação de purinas sobre pirimidinas. O problema da pirimidina é mais grave no caso de uridina. Especificamente o uridilato que resiste à incorporação na síntese de polinucleótidos não enzimáticas dirigida por molde.

A uracila, e seus análogos, são necessárias como uma base completar em polímeros destinados a atuar como genes. Isso é porque uma população de RNA (ou semelhantes) deve incluir, pelo menos, dois pares de nucleobases complementares, uma vez que apenas um par pode limitar o conteúdo da informação. Além disso, uracilas substituídas podem atuar como um andaime para a síntese de péptidos e, assim, formar uma ponte
com o RNA-World. (Robertson e Miller, 1995). A uracila foi detectado em amostras de meteoritos Murchison (Stocks e Schwartz, 1979) e podem ser sintetizadas com bons rendimentos, sob condições pré-bióticas simuladas.

Uma segunda preocupação com os modelos disponíveis é que na água os monoribonucleotidios-fosfoimidazol, e/ou os agentes de condensação utilizados na hidrolise perdem simultâneamente a reatividade química.

A hidrólise do monômero está em competição com a polimerização de monômeros, e um modelo de polimerização eficiente é aquele em que a taxa relativa de monômero de desativação é minimizada e a taxa de incorporação de monômeros no polímero é crescentemente maximizada (Kanavarioti et al, 1990).

Um terceiro problema ainda ocorre. A concentração de monômeros orgânicos nos primeiros oceanos era susceptívelmente baixa que não podia acontecer reações sintéticas a qualquer momento.
Existem mecanismos alternativos não-seletivos por fases eutéticas no gelo a temperaturas abaixo de zero que solucionam estes problemas. Pequisadores têm resistido estudar reações em temperaturas abaixo de zero, porque as taxas de reação são significativamente mais lentas. E talvez o erro deles esteja em não cogita-las.

Estudos indicam que temperaturas abaixo de zero, em comparação com as temperaturas mais elevadas, são mais eficazes para a síntese de adenina (Sanchez et al, 1966) e citosina (Nelson et al., 2001), por ligação química de oligonucleotídios (Gryaznov e Letsinger, 1993) e para a oligomerização de ácidos β-amino (carregados negativamente).

Por exemplo, em um estudo realizado por Kanavarioti (2001) longos oligómeros de RNA foram sintetizados sob condições congeladas.

Não só é possível a síntese, mas a matriz de gelo aumenta marcadamente a taxa e o rendimento de síntese de polímero de maneira que, em solução livre, a concentração dos reagentes em regiões eutéticas das matrizes de gelo foi muito eficiente. Congelar concentrações da fase eutética oferecem uma solução parcial para a falta de síntese de oligo-uridilatos 3’-5’ prébioticamente.

Os métodos anteriores, como em solução, na presença de Mg2+/PB2+ ou óxido de nitrato de uranilo (Sawai et al, 1989), o principal rendimento de produtos foi RNAs 2’-5’. Embora a síntese, na presença de argila MMT produza rendimentos similares (24%) em 3’-5’ (30%) produtos adquiridos pelo experimento de Kanavarioti o rendimento global de polimerização é no máximo, 6,1% de oligômeros de cinco ou mais nucleotídios de comprimento. No estado de congelamente 35,6% dos oligômeros foram obtidos.

A síntese de oligo-uridilatos mais longos do que um pentâmero pode estar ligado com sucesso de outros oligômeros na presença do modelo apropriado e produzir polímeros ainda mais longos (Sawai e Wada, 2000). Os produtos obtidos por Kanavarioti oode também formar polímeros mais longos por adsorção sobre uma superfície mineral/argila e alongamento subsequente com monômeros (Ferris et ai, 1996,. Luther et al, 1998), em contraste com oligo-uridilatos curtos que não adsorvem fortemente o suficiente para se alongar.

A presença de quantidades significativas de gelo na Terra primitiva é sugerida pela luminosidade inferior do sol nesse momento. Presumivelmente, como a Terra esfriou desde o Hadeano, no início Arqueano, águas rasas congelaram completamente nos pólos ou mesmo globalmente. Se as soluções diluídas de monômeros estavam presentes na água antes do congelamento os monômeros iriam concentrar-se em fases eutéticas, tal como descrito por Kanavarioti e em seguida, submetidos a polimerização. Polímeros seriam liberados para o meio aquoso, quando o gelo descongelasse poderia, então, ser incorporado em sistemas moleculares mais complexos.

Agregado de cristais de montmorillonita (cinzas). Retirado de Museu da UNESP

Agregado de cristais de montmorillonita (cinzas). Retirado de Museu da UNESP

A polimerização em misturas congeladas provavelmente ocorre em cavidades em que cristais de gelo com líquidos eutéticos de solutos concentrados ocorram, e não por adsorção dos produtos químicos sobre gelo. A supressão da hidrólise em oligômeros poderia é atribuida ao fato de que a maior parte da água congela descongelou, assim, as taxas de hidrólise a baixas temperaturas estão associadas com o estado congelado. Catálise de íons de metal e a reatividade dos derivados de imidazolida em gelo em solução (Kanavarioti et al, 1990 & Rohatgi et al, 1996), sugere um mecanismo semelhante para ambas as fases. Então PB2+ não atua como catalisador na ausência de Mg2+ em reações de solução (Sleeper e Orgel, 1979).

Em gelo somente o PB2+ mostra um efeito catalítico tão forte como Mg2+/PB2+. Da mesma forma que a catálise por si só de Sn2+  foi comparável à catálise vista em com Mg2+/ Sn2+ (Kanavarioti et al, 2001). O fato de Mg2+ ser dispensável apoia a afirmação de que as associações intermoleculares em fases eutéticas no gelo tendem a ser mais estáveis ​​do que os correspondentes em solução e, portanto, não necessitam de estabilização adicional fornecida pelo Mg2+.

Outros estudos ja sugeriram isto, e indicam que as polimerizações de solução são facilitados por uma série de minerais contendo chumbo ou sais de chumbo solúveis.

A falta de alto rendimento em reações pré-bióticas que produzem blocos de construção bioquimicamente relevantes sugere que na Terra primitiva compostos orgânicos eram susceptíveis a degradaçao e altamente diluídos. Para a síntese de polímeros ocorrer, mecanismos de concentração eram necessários.

A polimerização em solução, na presença de íons metálicos ou argila MMT dependem de mecanismos de concentração, tais como complexação ou adsorção, que são sujeitas a efeitos de diluição. Em contrapartida, mecanismos de concentração eutéticos de gelo é, via de regra, mostrado pelas experiências sugeridas aqui, independente do fator de diluição e resulta em um efeito notável a concentração postulada como pela eficiência das reações já testados.

Cenários prebiótico para síntese de polinucleótidos geralmente postulam temperaturas no intervalo 0-25 °C. Outros são postulados segundo temperaturas abaixo de zero que são susceptíveis de preservar monômeros e produtos de oligonucleotídios que estão sujeitos a hidrólise. Isto foi confirmado nesse estudo, e demonstram que praticamente todo o monômero é incorporada em polímeros. Podemos discutir a disponibilidade pré-biótica de catalisadores, como PB2+ ou o solúvel ou Sn2+ e sua abundância relativa em relação a argilas como a montmorilonite. Entretanto, íons metálicos são frequentemente incorporados em macromoléculas catalíticas, e a maioria das ribozimas mostram-se como metaloenzimas (Kanavarioti et al, 2001).

Por exemplo, a fenilalanina-tRNA-ligase, cliva a si mesmo na presença de PB2+ de forma altamente específica (Scott, 1999) e sustenta a ideia de que a catálise de íons metálicos podem estar intimamente associada ao RNA-world.

Assim, a síntese de oligômeros de RNA a partir de monômeros pode ocorrer em um meio de reação em que concentrou-se as fases eutéticas em matrizes de gelo. Na Terra, quantidades substanciais de gelo ocorrem nos pólos e em altitudes mais elevadas, e parece provável que uma variedade de matrizes de gelo estariam disponíveis na Terra pré-biótica também. Partindo do princípio de que as concentrações de mononucleotídios e íons metálicos catalíticos solúveis (como PB2+ ou Sn2), estavam disponíveis, tais camadas de gelo e suas fases eutéticas poderiam ter fornecido um nicho adequado para polimerizações pré-bióticas ocorrer, seguindo da auto-montagem de sistemas moleculares e sua complexação, justificando assim uma origem natural para a vida.

Outros estudos.

Outros estudos apontam para tal proposta a favor de soluções de matriz gelada e misturas eutéticas.

Uma matriz cristalina de gelo a temperaturas abaixo de zero pode manter uma fase líquida em que os solutos orgânicos e sais concentram-se e formam soluções eutéticas. Este efeito de concentração converte as soluções reagentes confinadas na matriz de gelo, promovendo a condensação e reações de polimerização, ou tornando-as mais favoráveis. Estas reações ocorrem a taxas significativamente elevadas e os produtos podem ser protegidos da degradação. O estudo experimental da síntese de heterociclos de nitrogênio em sistemas gélidos mostrou a eficiência deste cenário e explica a origem de nucleobases nos corpos do sistema solar interior, incluindo meteoritos, gelos extra-terrestres, chegando e a Terra primitiva.

As mesmas condições, também pode favorecer a condensação de monômeros para formar o ácidos ribonucleicos e peptídios. Juntamente com a síntese destes monômeros, um planeta congelado (ou seja, a evolução química no intervalo entre o ponto de congelamento da água) é um modelo experimental pouco explorado e oferece uma gama de possibilidades para explicar a origem da vida (Salván & Yaseli, 2012).

Outro estudo realizado por Monnard e Ziock (2008) destaca que reações de polimerização que produzem moléculas básicas para a origem da vida teriam de ocorrer em ambientes particulares, tais como superfícies minerais. As fases eutéticas em água-gelo teriam causado a concentração dos monômeros e que essas fases eutéticas poderiam ter promovido polimerização do RNA, contribuindo para o surgimento da informação antiga de hereditariedade e sistema catalítico proposto pela hipótese RNA-World.

Outro estudo feito por Monnard e Szostak (2008) corrobora que a hipótese do RNA-world requer entre outros processos a, replicação dirigida por moldes não-enzimáticos de polímeros genéticos, tais como RNA ou ácidos nucleicos relacionados. E destaca que podem ter sido catalisados por íons metálicos.

O estudo ainda oferece um alternativa para a ausência de polimerização do derivado uridilate em adenina e o problema que impede a polimerização RNA dirigida por molde eficiente.

Ele propõem uma forma de polimerização de RNA dirigida por molde na fase eutética em água-gelo. O resultado do estudo demonstrou que monômeros de uridilato na presença de catalisadores de metal de íons podem alongar eficientemente o RNA cuja reentrância 5′ serviu como a sequência de moldagem. O mesmo aplica-se para todos as nucleobases de pirimidina e purina. Além disso, as taxas de alongamento iniciais foram superiores na presença de um modelo complementar para as sequências de nucleótidos, ao contrario do que seria se fosseum  sistema sem a devida oportunidade de emparelhamento de bases. Os resultados deste estudo sugerem que uma polimerização de RNA dirigida por molde e catalisada por íons de metal pode ser realizada sob condições de fase eutética em água-gelo.

Todos estes estudos vêm ressaltando o potencial que fases eutéticas de matrizes gelidas tem em facilitar a síntese pré-biótica de ácidos nucleicos.

Saiba mais em: PRÉ-BIÓTICIDADE – A SÍNTESE DO CIANOACETILENO, CIANOACETALDEÍDO E BASES PIRIMÍDICAS E PÚRICASPROPRIEDADES POLIMÉRICAS E A GÊNESE DA VIDA

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Misturas Eutéticas, Matrix de gelo, Polímeros, Origem da Vida, Catalizadores.

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Referências

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