CICLO DE KREBS LIVRE DE ENZIMAS PODE TER SIDO UM PASSO-CHAVE NA ORIGEM DA VIDA NA TERRA. (Comentado)

Um conjunto de processos bioquímicos cruciais para a vida celular na Terra poderia ter se originado em reações químicas ocorrendo no início da Terra há quatro bilhões de anos, é o que acredita um grupo de cientistas do Instituto Francis Crick e da Universidade de Cambridge.

Um conjunto de processos bioquímicos cruciais para a vida celular na Terra poderia ter se originado em reações químicas ocorrendo no início da Terra há 4 bilhões de anos, segundo um grupo de cientistas do Instituto Francis Crick e da Universidade de Cambridge. Os pesquisadores demonstraram no laboratório uma via metabólica livre de enzimas que espelha o importante ciclo de Krebs presente nos organismos vivos atualmente. É provocado por partículas chamadas radicais sulfato em condições semelhantes às da Terra vulcânica, há 4 bilhões de anos. Houve muito interesse em como as primeiras formas de vida se desenvolveram nestas condições e como os processos bioquímicos necessários para sustentar a vida poderiam formar-se a partir do “nada”. Crédito: Aleksej Zelezniak/Instituto Francis Crick

Os pesquisadores demonstraram uma rede de reações químicas no laboratório que imitam o importante ciclo de Krebs presente nos organismos vivos atualmente. Em um estudo publicado na revista Nature Ecology and Evolution, eles dizem que isto poderia explicar um passo importante na forma como a vida se desenvolveu na Terra.

A vida desenvolveu-se há quatro bilhões de anos atrás em uma terra áspera e vulcânica que não tinha oxigênio, mas que possuía grandes oceanos ricos em íons metálicos. Houve muito interesse em como as primeiras formas de vida se desenvolveram nestas condições e como os processos bioquímicos necessários para sustentar a vida poderiam formar-se a partir de “nada”.

O metabolismo é universal para a vida. É o conjunto de processos pelos quais ganhamos energia dos alimentos e produzimos as biomoléculas que precisamos nas células do nosso corpo. As vias bioquímicas que sustentam estes processos são altamente semelhantes em todos os organismos e espécies.

Uma via metabólica central aprendida por cada estudante de biologia de nível A é o ciclo de Krebs. Mas como surgiu esse conjunto essencial de reações químicas, cada passo catalisado por uma enzima? Cada etapa do ciclo não é suficiente por si só. A vida precisa de uma seqüência dessas reações, e ela precisaria dela antes que as enzimas biológicas estivessem ao redor: Os aminoácidos, os componentes moleculares das enzimas, são feitos de produtos do ciclo de Krebs.

O grupo de pesquisa do Instituto Francis Crick e da Universidade de Cambridge dizem que sua demonstração oferece uma resposta. Eles mostraram um caminho metabólico sem enzimas que espelha o ciclo de Krebs. É provocado por partículas chamadas radicais de sulfato em condições semelhantes às da Terra há quatro bilhões de anos.

“Este precursor não-enzimático do ciclo de Krebs, que demonstramos espontaneamente, é biologicamente sensível e eficiente, poderia ter ajudado a inflamar a vida há quatro bilhões de anos”, disse o Dr. Markus Ralser, do Instituto Francis Crick e da Universidade de Cambridge”.

Os cientistas usaram compostos de carbono simples que estão envolvidos em vários pontos do ciclo de Krebs (compostos recentemente encontrados em um meteorito por cientistas da NASA) e os misturaram com produtos químicos contendo ferro e enxofre que seriam encontrados em sedimentos nos oceanos iniciais.

Eles realizaram uma estratégia de rastreio sistemático de cerca de 4.850 experiências diferentes usando técnicas de espectrometria de massa, e observaram precisamente as reações semelhantes às observadas no ciclo de Krebs.

Na grande maioria dos casos, as misturas não foram reativas. No entanto, na presença do composto peroxidisulfato, os pesquisadores detectaram 24 reações químicas. Estes se assemelhavam ao padrão de reações observadas no ciclo de Krebs nos organismos vivos.

“Levamos componentes representativos dos sedimentos presentes na Terra bilhões de anos atrás.” Diz o Dr. Ralser, “Como os sais que teriam estado presentes nos sedimentos não desencadearam muitas reações, nós nos concentramos principalmente em íons metálicos e espécies de sulfato, que também são conhecidos por serem importantes no ciclo de Krebs das modernas células.

“Nós realizamos um enorme quadro envolvendo milhares de medições, e então fomos sistematicamente trabalhando através delas. No final, encontramos uma condição que pode ter permitido o ciclo de Krebs, que se baseia em radicais de sulfato e anteriormente ninguém tinha pensado neles.

Uma hipótese alternativa para a origem da vida sugere que o RNA – uma molécula semelhante ao DNA que pode manter a informação genética mas é mais transitória e mais reativa – pode explicar os primeiros passos rumo à vida. Isto é conhecido como a hipótese do RNA-World.

O Dr. Ralser diz: “Há um debate científico enorme sobre se os primeiros passos para a vida foram conduzidos pelo metabolismo ou pela genética”.

Ele argumenta que a presença de moléculas de RNA não pode explicar facilmente a origem do metabolismo, como o RNA é feito de produtos do metabolismo. E que os resultados do seu grupo apoiam a teoria de que a química ambiental permitiu o metabolismo começar.

“As pessoas têm tentado trabalhar em um ciclo não-enzimático de Krebs durante anos, mas a maioria tem pensado sobre ele teoricamente ou filosoficamente. Alguns têm feito experimentos físicos sistemáticos como aqueles que relatamos aqui. Um catalisador não-enzimático para o ciclo de Krebs existe e nós descobrimos”, conclui o Dr. Ralser.

Journal Referência:
Markus A. Keller, Domen Kampjut, Stuart A. Harrison, Markus Ralser.Sulfate radicals enable a non-enzymatic Krebs cycle precursor.Nature Ecology & Evolution, 2017; 1: 0083 DOI: 10.1038/s41559-017-0083

Fonte: Science Daily

.

Comentários internos

Metabolismo é um conjunto de reações que ocorrem em rede e que permite os organismos gerar energia e sintetizar as moléculas que precisam para sobreviver, crescer e se reproduzir. Existem algumas vias chaves que fazem este papel. A respiração celular é o processo de conversão das ligações químicas de moléculas ricas em energia usadas em processos vitais. O processo de obtenção de energia pode ser de dois tipos, a respiração anaeróbia (sem utilização de oxigênio) e respiração aeróbia (com utilização de oxigênio). A obtenção de energia ocorre em forma da molécula ATP (Tri-Fosfato de Adenosina).

A respiração anaeróbia é feita principalmente a partir de fermentação, seja ela láctica ou alcoólica. Este tipo de metabolismo para obtenção de energia ocorre especialmente em bactérias (procariontes). No entanto, algumas bactérias especializadas conseguem se adaptar a situações diversas: tanto na presença quanto na ausência de oxigênio, sendo chamadas de anaeróbias facultativas. Tal processo – facultativo – não é restrito apenas aos procariontes, ocorrendo também em alguns eucariontes: certos tipos de fungos (as leveduras) e algumas raras espécies de moluscos, anelídeos, bem como na espécie humana.

A fermentação lática é o processo metabólico no qual carboidratos e compostos relacionados são parcialmente oxidados, resultando em liberação de energia e compostos orgânicos, principalmente ácido láctico, sem qualquer aceptor de elétrons externo. É realizado pelas bactérias ácido-lácticas, as quais têm importante papel na produção e conservação de produtos alimentares. As leveduras e algumas bactérias fermentam açucares, produzindo álcool etílico e gás carbônico (CO2), processo denominado fermentação alcoólica.

Na fermentação alcoólica, as duas moléculas de ácido pirúvico produzidas são convertidas em álcool etílico (também chamado de etanol), com a liberação de duas moléculas de CO2 e a formação de duas moléculas de ATP.

Ambos processos (láctico e alcoólico) são semelhantes à glicólise da respiração celular aeróbia, diferenciado apenas pelo agente aceptor. Nestes casos, o ácido pirúvico transformado em ácido lático ou álcool etílico, no instante em que assimila elétrons e prótons H+ da molécula enzimática intermediária NADH. Na respiração celular aeróbia o processo é mais complexo, e o ciclo de Krebs entra na jogada.

A glicólise (lise = quebra e glico = açúcar) é o processo básico da respiração celular e pode ser expresso pela seguinte equação química:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia

A glicose é uma molécula obtida através da alimentação ou então da degradação do glicogênio armazenado em nosso corpo. O processo para a quebra dessa substância inicia-se com a adição de dois fosfatos em uma molécula de glicose, tornando-a muito estável e fácil de ser quebrada. Esse processo é chamado de ativação e ocorre com gasto de ATP.

A molécula de glicose, quando é quebrada, forma duas moléculas de ácido pirúvico e gera 4 moléculas de ATP -, mas como no início do processo são utilizados fosfatos provenientes de duas moléculas de ATP, o saldo líquido é de duas moléculas.

O ácido pirúvico formado no processo de glicólise, com a presença de oxigênio, é usado na mitocôndria no processo de respiração celular. Quando, no entanto, não há oxigênio suficiente, o piruvato é transformado em ácido lático ou etanol (fermentação). Isto causa câimbras durante atividades físicas (Mundo Educação)

Glicolise. Clique para ampliar

Na presença do oxigênio, o piruvato é preparado para entra no ciclo do ácido cítrico, produzindo 36 moléculas de ATP. Tudo começa com a oxidação de glícidos, lípidos aminoácidos, proteínas e ácidos-graxos para a formação da acetil-coenzima-A, chamada de Acetil-CoA (2 carbonos). O acetil-CoA reage com o ácido oxalacético (4 carbonos) e dando origem ao ácido cítrico (também chamado de citrato) que possui 6 carbonos. Esta reação ocorre na matriz mitocondrial.

Ao ocorrer esta reação, a coenzima-A sai da jogada em forma de coenzima-A (CoA-SH).

Na segunda etapa do ciclo, o Citrato (6C) forma o Isocitrato (6C) a partir de uma desidratação, preparando o citrato para as reações de oxidação seguintes. Assim, o Isocitrato (6C) forma o α-cetoglutarato (5C). Nesta reação há participação de NAD (nicotinamida adenina dinucleotídeo), onde o isocitrato sofre uma descarboxilação (perde carbono) e uma desidrogenação transformando o NAD em NADH, liberando um CO2 e originando como produto o α-cetoglutarato.

Na etapa seguinte o ácido α-cetoglutarato (5C), novamente perde um carbono e um hidrogênio. O carbono se perde no meio, o hidrogênio perdido é incorporado pelo NAD que forma NADH e associa um CoA a molécula Succinato (4C) formando o succinil-CoA, ocorrendo a liberação de uma molécula de CO2.

Ciclo de Krebs

Não podendo mais perder carbono, o sucinil-CoA libera sua extremidade CoA começando então a transformar ADP (adenosina difosfato) em ATP, a molécula energética da célula.

Na sequência em que o succinil-CoA forma o ácido sucinico a energia liberada é aproveitada para fazer a ligação do GDP com o Pi (fosfato inorgânico), formando o GTP. Esta molécula não é utilizada para a realização de trabalho, e então, é convertida em ATP. Assim, esta é a única etapa do ciclo de Krebs em que se sintetiza de forma efetiva muitas moléculas de ATP.

Quando este processo termina o resultado é o Fumarato. Nela, o succinato sofre oxidação através de uma enzima de desidrogenação e forma o fumarato, além do FADH2 a partir da redução de FAD (flavina adenina dinucleotídeo). Quando a enzima fumarase entra em ação, hidrata o fumarato formando o malato.

O Malato vai formar o Oxalacetato (4C), partir de uma desidrogenação feita pela enzima malato desidrogenase em que forma o NADH a partir da redução de NAD. Este processo acaba regenerando o oxalacetato que participou no começo do ciclo com o acetil-CoA.

O passo seguinte (e final) da respiração celular é a fosforilação oxidativa, que ocorre nas cristas mitocondriais (membrana interna de menor permeabilidade que apresenta numerosas dobras). No processo ocorre uma sequência de compostos enzimáticos e não-enzimáticos capazes de “extrair” gradualmente a energia dos elétrons liberados durante o ciclo de Krebs. Durante o processo ocorre a produção de água a partir da combinação de prótons liberados pelo ciclo de Krebs e o oxigênio presente no meio. Essa cadeia de eventos é um processo altamente eficiente na produção de energia, gerando a maior parte dos 36 ATPs da fosforilação oxidativa.

Respiração celular: Glicólise – Ciclo de Krebs – Fosforilação oxidativa.

A fosforilação oxidativa é um processo que ocorre nas mitocôndrias e apenas em condições de aerobiose. É responsável pela maior parte da energia nos seres e foi um grande passo na história evolutiva, possibilitando o desenvolvimento de formas de vida mais complexas (InfoEscola).

Nesta etapa há uma cadeia que faz o transporte transporte de átomos de hidrogênio energizados, ou seja, nela ocorre a transferência de elétrons que para substâncias aceptoras intermediárias (NAD e FAD) provenientes da glicólise e do ciclo de Krebs.

Essas substâncias carregam os prótons H+ até a membrana interna da mitocôndria, onde são liberados na cadeia respiratória formada por proteínas transportadoras. Os elétrons são liberados e o próton é processado e armazenado no espaço entre as membranas interna e externa. Ele será forçado a transpor por difusão a última proteína (sintetase ATP), gerando um fluxo capaz de produzir energia suficiente para ser absorvida na reação de conversão de ADP em ATP. Os elétrons resultantes da cadeia respiratória são captados por moléculas de oxigênio, funcionando como aceptores finais, produzindo água (Mundo Educação).

A origem do Ciclo

O ciclo de Krebs (ciclo de ácido cítrico ou tricarboxílico (TCA)), é então o cerne da rede metabólica da respiração celular que comporeende: glicólise, ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa, representando um grande passo na história evolutiva, possibilitando o desenvolvimento de formas de vida mais complexas.

Explicar a origem e evolução deste ciclo é algo bastante complexo. O ciclo em sí, explicado acima não é padronizado em todos os seres vivos, e sofre variações de acordo com o grupo biológico, sendo o esquema acima somente um plano básico. Sendo assim, compreender a origem em sua totalidade ainda é objetivo da biologia molecular, biologia evolucionária e da bioquímica.

Uma das correntes que busca explicar sua origem defende que a cadeia de reações começou somente depois do RNA estar presente na Terra Pré-biótica, dando origem ao elemento fundamental da vida. As reações metabólicas seriam então catalisadas por enzimas pelas quais o RNA fornece um molde. O grande problema desta tese é que a hipótese do “RNA-World” defende uma molécula simples, e tal processo já é complexo, pois conta com a presença de enzimas. Portanto, para ser válido, alguns pesquisadores buscam explicar (e de certa forma, com certo sucesso) como tal RNA seria auto-catalítico e usava íons do meio para catalisar uma reação de auto-duplicação.

Um agravante é que se as reações não ocorressem imediatamente nas primeiras formas de RNA – fornecendo uma vantagem na luta pela sobrevivência – não haveria pressão seletiva para impulsionar a evolução das enzimas. Além disso, o próprio RNA é produzido a partir de produtos do metabolismo. Por isto a pesquisa acima é importante; ela é parte da perspectiva de que o ambiente estava proporcionando uma condição química que promoveria reações químicas não-enzimáticas com íons fazendo o papel de catalisador.

A tese então vai propor precursores do ciclo de Krebs existiam desde o início, e formas de vida primitivas simplesmente o adotaram e acabaram gradualmente desenvolveram as enzimas que tornaram possível a vida tal como conhecemos atualmente.

As enzimas modernas que catalisam este ciclo usam mecanismos muito diferentes do modo ancestral. A idéia de que um tipo de molécula inorgânica simples poderia ter existido nos primeiros oceanos e poderia catalisar um conjunto diversificado de reações foi descartada pelos defensores do RNA-World como um argumento contra a tese da promiscuidade enzimática.

Promiscuidade enzimática significa que uma única enzima é capaz de catalisar duas (ou mais) reações diferentes. Isto foi considerado uma opção quase impossível até muito recentemente, porque a visão dominante sobre um peptídeo dobrar permitido apenas para uma única “conformação nativa” foi quebrada. A visão convencional parece estar consideravelmente enfraquecida agora, porque poucas enzimas peptídicas e RNA tem revelado admitir mais do que uma conformação nativa, cada um dos quais têm de estar presentes para realizar uma única função (Huang et al, 2009), ou mais de uma conformação nativa, cada um com uma função diferente (O’Brien & Herschlag, 1999). Tais enzimas multi-funcionais são pré-adaptadas para a diversificação e especialização tardia e para produzir diferentes tipos funcionais, basicamente, cada tipo gradualmente perdendo todas exceto uma única atividade, e a atividade retida acaba se tornando mais e mais específica de tal forma a tornar-se eficiente e por vezes fundamental. Isto pode desencadear um segundo processo: a cooperação de duas ou mais enzimas diferentes dentro da mesma comunidade molecular (Saiba mais sobre promiscuidade enzimática).

O que o pesquisador Markus Ralser fez foi mostrar anteriormente que outras duas vias metabólicas cruciais – a glicólise e a via pentose fosfato – poderiam ser catalisadas por íons metálicos presentes na Terra primitiva ao invés de deixar a cargo somente de enzimas das células modernas.

Esta tese é chamada de “metabolismo first”, onde céticos defendem que são caminhos funcionais para apenas uma direção, enquanto que a vida mais antiga teria necessitado trabalhar como o material de partida para essas vias, a glicose, improvável de existisse no início da historia da Terra.

Ao estudar o ciclo de Krebs o doutor Ralser descobriu a presença dos produtos químicos envolvidos em vários pontos do ciclo de Krebs em meteoritos e em recreações de laboratório dos primeiros oceanos da Terra. Estes dados são importantes mas ainda precisam se juntar para validar a tese metabolismo first. Ainda que os estudos não sejam capazes de explicar de onde a glicose vem, existe a possibilidade de que o ciclo de Krebs poderia se originar de um único catalisador não-enzimático, fornecendo evidências mais fortes sobre as origens do metabolismo ocorrendo primeiro, ao contrario da tese “genetic first”. (Saiba mais sobre ”metabolism first” e ”genetic first”)

Ralser e sua equipe disponibilizaram os produtos químicos envolvidos no ciclo de Krebs a produtos químicos que estariam presentes nos sedimentos oceânicos iniciais. Nada aconteceu, até que eles introduziram o composto chamado peroxidisulfato, uma fonte de agentes altamente reativos chamados de radicais sulfato. A presença de tal reagente desencadeou uma seqüência de 24 reações químicas que foram muito semelhantes – embora não idênticas – àquelas vistas no ciclo de Krebs. No caso, uma única molécula atua como catalisador de todas as reações (semelhante a promiscuidade enzimática) que a equipe de Ralser descobriu, e  mais ineressante é que os radicais de sulfato encontram-se presentes em abundância próximo a vias hidrotermais, que foram sugeridas como possíveis locais em que a vida começou, ou perto de sedimentos ricos em enxofre.

A equipe de Ralser acredita que essas reações químicas fornecem um modelo sobre qual maquinaria evolucionária poderia construir o que conhecemos atualmente como o ciclo de Krebs.

Entretanto, como o ciclo de Krebs descrito por Ralser carece de enzimas, não compreende necessariamente um ciclo bioquímico completo, tal qual opera nas células modernas. A consolidação de tal ciclo pode ter acontecido mais tarde, depois que as enzimas evoluíram. O ciclo conduzido pelo sulfato funciona somente em uma direcção (a oxidante). Em algumas espécies, o ciclo de Krebs também pode ser executado em sentido inverso e ajudar a incorporar CO2 na construção de novos carboidratos. Alguns pesquisadores acreditam que ele pode estar envolvido na fixação precoce de carbono, onde se esperaria ver o ciclo girar espontaneamente nessa direção também.

Até que os pesquisadores possam demonstrar detalhadamente essas duas teses, eles não podem afirmar que o metabolismo veio antes das células e da vida. Este ciclo é estritamente oxidativo e certamente não é antigo. Provavelmente se tornou oxidativo após a ascensão do oxigênio molecular na atmosfera. Certamente, antes disto, havia um ciclo de Krebs redutor, que fixou CO2 usando H2, e que ainda é encontrado em algumas bactérias antigas e não estão imitando o ciclo redutivo de Krebs. Além do mais, mesmo que as três vias metabólicas fundamentais – o ciclo de Krebs, a via de fosfato e pentose e a glicólise – possam prosseguir na ausência de enzimas, ainda há a questão de como outros componentes da vida vieram a existir.

Observando somente o caminho metabólico, há um ponto de partida muito bom para a vida, mas não é vida, e somente uma condição química que pode fundamenta-la. É preciso entender como membranas celulares surgiram para conter as reações, separando o meio interno e externo, e a maquinaria genética que permite a herança – fenômeno fundamental para a evolução da vida. A questão é reunir todos os elementos em um ambiente e em condições não extremas, e ve-los funcionar.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Ciclo de Kreb, Ácido Cítrico, Citrato, Tricarboxílico.

.

Referências

Huang Z, Pei W, Han Y, Jayaseelan S, Shekhtman A, et al. (2009) One RNA aptamer sequence, two structures a collaborating pair that inhibits AMPAreceptors. Nucleid Acids Research 37: 4022–4032.
O’Brien PJ, Herschlag D (1999) Catalytic promiscuity and the evolution of new enzymatic activities. Chemistry and Biology 6: R91–R105.

Deixe um comentário

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair /  Alterar )

Foto do Google

Você está comentando utilizando sua conta Google. Sair /  Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair /  Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair /  Alterar )

Conectando a %s