RIBOSSOMO E RIBOZIMA DÃO MAIS PESO AO RNA-WORLD.

Os ribossomos foram identificados pela primeira vez em 1955 pelo biólogo celular George Emil Palade, usando um microscópio eletrônico. O termo “ribossomo” foi proposto pelo cientista Richard B. Roberts no final desta década.

Ribossomos são pequenas estruturas em forma de grânulos que estão presentes no citoplasma das células procariontes e eucariontes – também são encontrados nas mitocôndrias e nos cloroplastos.

Do ponto de vista estrutural, é formado por moléculas de RNA ribossômico dobradas em associação a mais de 80 tipos de proteínas. Já as enzimas são produzidas por ribossomos aderidos à parede do retículo endoplasmático e são armazenadas em vesículas que são transportadas para o complexo de Golgi, onde são “empacotadas” e enviadas para fora da célula.

Os ribossomos são responsáveis por reunir as vinte moléculas específicas de aminoácidos para formar proteínas determinadas pelas moléculas de RNA. Ele é dividido em duas estruturas: uma unidade maior e uma menor.

O ribossomo só é funcional quando suas subunidades estão unidas e após a construção de cada proteína, as sub-unidades se desprendem da fita de RNA mensageiro (RNAm) e se separam. Na sub-unidade maior, existem duas regiões onde ocorre o contato direto com o RNA transportandor (RNAt): são chamadas Sítio A (Aminoacil) onde ocorre a chegada do RNAt e Sítio P (Peptidil) onde são formadas as ligações peptídicas e garantem a união entre os aminoácidos de ambos os sítios. A ação dos ribossomos na tradução se divide em: um códon de iniciação (representado pelo códon AUG), o alongamento da proteína pela relação códon anti-códon (fatores de alongamento) e finalização (códons de parada – Stop).

Em 1967, Carl Woese, Francis Crick e Leslie Orgel sugeriram que o RNA poderia atuar como um catalisador – mediador e acelerador de reações bioquímicas. Essa ideia foi baseada na descoberta de que o RNA pode formar estruturas secundárias complexas (Woese, 1967). Com o tempo descobriu-se a existência de RNA catalítico e cunhou-se o termo ribozima – introduzido pela primeira vez por Kelly Kruger em 1982. Somente em 1989, Thomas R. Cech e Sidney Altman dividiram o Prêmio Nobel em química por descrever as propriedades catalíticas do RNA.

Hoje, sabemos que uma ribozima é uma molécula de RNA com capacidade catalítica, ou seja, que diminui a energia de ativação de uma reação de forma específica assim como as enzimas proteicas. Elas possuem um centro ativo que se une especificamente a um substrato e facilita a sua conversão em um produto.

A descoberta das ribozimas contribuiu para a hipótese do “RNA-World”, a ideia de que o RNA pode ter sido importante na evolução da biologia pré-biótica, representando uma condição primitiva do sistema hereditário na origem da vida. Curiosamente descobriu-se que o ribossomo é um aglomerado proteíco que age sob a tutela de uma ribozima.

A primeira resolução atômica da maior das sub-unidades ribossômicas revelou que a partir da estrutura dos componentes do RNA, ele realiza uma reação chave mediada por ligações bioquímicas chamadas peptidil-transferase (Cech, 2000 & Nissen, 2000) – quando o grupo carboxilo de uma molécula reage com o grupo amina de outra molécula, libertando uma molécula de água. Isto é, uma reação de síntese por desidratação que ocorre entre moléculas de aminoácidos.

As proteínas do ribossomo são unidades estruturais que ajudam a organizar os principais elementos da ribozima presente no coração do complexo – uma ideia há muito defendida por Harry Noller, Carl Woese e outros.

De fato, o ribossomo é uma condição evolutiva derivada de uma ribozima – uma possível herança da condição RNA-World.

O RNA-World é um estágio hipotético na história evolutiva da vida na Terra, na qual as moléculas de RNA auto-replicadoras proliferaram antes da origem do DNA como sistema responsável pela hereditariedade e da vida proteica.

Ribozima cabeça de martelo PDB-ID 379d

Alexander Rich propôs pela primeira vez o conceito de RNA-World em 1962, (Neveu et al, 2013) e Walter Gilbert cunhou o termo em 1986 (Cech, 2012). Caminhos químicos alternativos à vida têm sido propostos, (Patel et al, 2015) com a sugestão de que a vida baseada em RNA pode não ter sido a primeira vida a existir (Cech, 2012): sugerindo uma condição pré RNA-World que até pode ser plausível. Mesmo assim, a evidência para o RNA-World é forte o suficiente para que a hipótese tenha uma ampla aceitação (Neveu et al, 2013) e ainda permaneça como a melhor hipótese para compreender a origem da vida e ganhando cada vez mais peso das evidências.

As enzimas proteicas podem ter substituído as ribozimas baseadas em RNA como biocatalisadores porque sua maior abundância e diversidade de monômeros as torna mais versáteis. Como alguns co-fatores contêm características tanto de nucleotídeos quanto de aminoácidos é possível que aminoácidos, peptídeos e, finalmente, proteínas tenham sido inicialmente co-fatores para as ribozimas (Shen & Hong-Fang, 2011).

Existem muitas outras funções que as ribozimas desempenham, por exemplo: a ribozima da cabeça de martelo realiza auto-clivagem (Forster & Symons, 1987) e uma ribozima RNA-polimerase pode sintetizar uma cadeia curta de RNA a partir de um molde de RNA iniciado (Johnston et al, 2001).

O ribossomo bacteriano é composto de três moléculas de RNA e mais um complexo de 50 proteínas. Seus principais componentes são tão altamente conservados entre todas as espécies da Terra que pressupõem-se que uma entidade similar deve ter estado no ancestral comum de toda a vida existente.

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Ribossomo e Ribozimas

O ribossomo é uma ribozima e não há uma enzima peptidil-transferase. Há apenas a ligação peptidil-transferase que é realizada pela ribozima. Esse achado eleva a catálise da ribozima para importância central na célula, realizando uma das principais reações dos processos vitais, e pode representar uma espécie de “reação molecular fóssil”.

Tal processo levanta a possibilidade de que no início da vida neste planeta, tal sistema possa ter passado por uma fase em que o RNA servia a papéis gêmeos como moléculas informativas e catalizados bioquímico.

No entanto, o RNA tem um certo número de desvantagens como catalisador macromolecular em comparação com proteínas, sendo a mais grave a limitação de grupos funcionais que podem ser postos em jogo. Estes envolveram a ruptura ou ligações fosfodiéster no RNA por meio de reações de trans-esterificação.

Apesar disto, não impediu que a gama de reações catalíticas que o RNA desempenha fosse amplamente estendida em laboratório, criando-se enzimas de RNA que foram selecionadas de grandes conjuntos de seqüências aleatórias. Hoje, mesmo reações químicas relativamente exóticas podem ser eficientemente catalisadas por RNA, exemplificadas pelo isolamento de um RNA com 38 nucleotídeos que acelera uma reação de cicloadição (denominada Diels-Alder) (Seelig & Jäschke, 1999; David, 2001).

A hipótese RNA-World ganhou grande apoio e proeminência a partir da descoberta dessas moléculas de RNA (Cech et al, 1981; Guerrier-Takada et al, 1983). Esses resultados estabeleceram que, além de sua capacidade de funcionar como um portador da informação genética, o RNA pode preservar uma função “enzimática” tornando plausível a hipótese RNA-World – de que existia um mundo biológico primitivo no qual todas as enzimas eram feitas de RNA passando para um estágio DNA-Proteína.

No entanto, dadas as funções dessas ribozimas e aquelas descobertas subseqüentemente, ainda se poderia argumentar que elas não são relíquias de um estágio inicial de evolução, mas sim entidades que evoluíram mais tarde. Contudo, a existência destas ribozimas prova que o RNA pode ser um catalisador e, ainda assim, oferece evidência plausível para a possibilidade de um mundo de RNA pré-proteína (Steitz & Moore, 2003).

Agora que o ribossomo é revelado como uma ribozima envolvida em proteínas, há evidências fortes de que houve um mundo pré-biotico dirigido pelo RNA. As estruturas atômicas da grande sub-unidade ribossômica e seus complexos com substratos e produtos evidenciam claramente que o RNA é o componente catalítico da montagem macromolecular que sintetiza proteínas (Hansen et al, 2002).  Assim sendo, as estruturas ribossômicas nos permitem explorar como essas grandes máquinas de RNA-proteína são colocadas juntas, para refletir sobre como elas podem ter evoluído e sugerir como elas catalisam a formação de ligações peptídicas.

A existência de um centro de peptidil transferase que consiste inteiramente de RNA, bem como o nível muito alto de conservação de seqüências ao redor deste centro e na sub-unidade menor (denominada 30S), implica que o primeiro ribossomo foi composto inteiramente de RNA. O fato das eubactérias compartilharem apenas 20 proteínas de subunidades grandes com eucariotos e archaeas dá suporte adicional à hipótese de que as proteínas ribossômicas foram adições tardias.

O RNA dentro de um raio de 30-40 angstrons (Å) do centro da peptidil transferase é altamente conservado entre todos os três reinos. A evolução in vitro de oligonucleotídeos de RNA pode produzir pequenas moléculas de RNA que catalisam reações relacionadas à reação da peptidil-transferase e se ligam a análogos de intermediários peptídicos (Zhaug & Cech, 1998), sugerindo que o surgimento de um pequeno RNA capaz de catalisar a transferência de peptidil foi um primeiro passo plausível na evolução do ribossomo.

Presume-se, então, que os primeiros peptídeos sintetizados por tal RNA era um sintetizador primordial de copolímeros aleatórios. Possivelmente, a produção de peptídeos básicos de seqüência aleatória, mesmo que rudimentar nas caudas de proteínas ribossômicas, pode ter sido útil na estabilização das estruturas das ribozimas no mundo do RNA. A natureza das etapas envolvidas na evolução de um domínio de RNA de síntese de peptídeos simples em duas subunidades de RNA que são capazes de síntese de proteína dirigida por mensageiro é menos óbvia neste momento – dependendo de futuros experimentos que possam iluminar o desenvolvimento da síntese dirigida por mensageiros.

Ainda há muitas incertezas sobre como o mundo do RNA surgiu, que grau de complexidade metabólica ele alcançou e como ele finalmente deu lugar ao DNA e às proteínas (Joyce, 1991). Uma característica definidora do RNA-World é que ele continha moléculas de RNA que eram capazes de sofrer evolução darwiniana baseada na seleção natural. Isso requer que as moléculas de RNA sejam replicadas de forma eficiente e precisa, em uma reação auto-suficiente, ou seja, catalisada pelo próprio RNA (Joyce, 1996).

David Bartel e Jack Szostak (1993) aprofundaram essa analogia desenvolvendo uma enzima de RNA que catalisa a condensação dirigida por molde de um oligonucleotídeo 3′-hidroxila e um oligonucleotídeo 5′-trifosfato. Esta reação resulta na formação de uma ligação 3′-5′-fosfodiéster entre os dois oligonucleótidos, com libertação simultânea de pirofosfato inorgânico – semelhante à reação catalisada por uma RNA-polimerase dependente de RNA. Mais recentemente, Eric Ekland e David Bartel (1996) deram outro passo importante usando uma enzima de RNA relacionada para catalisar a polimerização dirigida por molde de 5′-trifosfatos de mononucleosídeo, em uma reação que prossegue com notável eficiência e surpreendentemente alta fidelidade. Uma RNA replicase que permite que a evolução darwiniana baseada em RNA ocorra ainda não está à mão, mas pode estar em breve ao alcance.

A verdadeira cor do ribossomo. (Superior) a subunidade grande do ribossomo é vista do ponto de vista da subunidade pequena, com as proteínas em roxo, 23S RNAr em laranja e branco, 5S RNAr (no topo) em vinho e branco, e A-sítio RNAt (verde) e o sítio-P do RNAt (vermelho) ancorados.

As características gerais que são necessárias para uma enzima RNA que atua como uma replicase de RNA seja sujeita a evolução darwiniana são: 1) é essencial que a replicação de RNA seja direcionada por modelos. A ordenação específica de sub-unidades dentro de um polímero de RNA pré-formado deve ser refletida na síntese de um produto de RNA complementar. A natureza dessa complementaridade não precisa ser dentro do modelo de pareamento Watson-Crick, embora essa pareça ser a possibilidade mais óbvia; 2) a reação deve ser energeticamente favorável. É possível sintetizar polímeros de RNA através de uma reação de dismutação de energia neutra, na qual cada monômero que é adicionado à cadeia crescente vem à custa de um monômero que é removido de alguma outra cadeia. Uma reação de polimerização de nucleotídeo ideal é aquela que é energeticamente favorecida, mas cineticamente difícil. Nesse caso, não ocorre nenhuma reação exceto no contexto do molde e um catalisador adequado; 3) uma característica útil, embora não essencial, vem desta condição energética para a replicação de RNA.  Se a polimerização é cineticamente difícil, então é necessário um catalisador eficiente para que a adição de monómero ocorra a uma taxa minimamente aceitável em relação à decomposição espontânea. A ribozima de Ekland e Bartel que catalisa a condensação dirigida por molde de um oligonucleotídeo 3′-hidroxila é um exemplo; 4) outra característica essencial de uma enzima de RNA com atividade de replicase de RNA é que ela opere com fidelidade suficientemente alta para produzir cópias precisas de moléculas de RNA que são pelo menos tão longas quanto ela. Existe uma extensa literatura teórica e experimental sobre este assunto. Como uma boa regra prática, a manutenção da informação genética ao longo de sucessivos ciclos de replicação requer que a taxa de erro não exceda o inverso do número de sub-unidades que compõem o polímero a ser replicado. Assim, uma enzima de RNA que contenha 100 nucleotídeos deve ser replicada com uma taxa de erro não superior a 1% por nucleotídeo (fidelidade ≥ 99%). A ribozima empregada por Ekland e Bartel, que contém 98 nucleotídeos, tem uma taxa de erro global de 8% sob condições ótimas (Bartel, 1996). Isto é muito melhor do que seria esperado com base na fidelidade do emparelhamento Watson-Crick sozinha, mas permite a propagação de um RNA contendo apenas cerca de 12-13 nucleotídeos; 5) por último, a RNA replicase deve ser capaz de produzir uma cópia completa de um modelo que seja pelo menos tão longo e complexo quanto ele próprio. Isto explica o ganho de nova informação e oferece material genético para a evolução trabalhar. Tal modelo deve ser capaz de superar as regiões típicas da estrutura secundária e terciária do modelo copiando a cadeia modelo e seu complemento. A generalidade em relação ao comprimento e sequência do modelo é provavelmente a propriedade mais difícil para uma RNA replicase atingir, especialmente se alta taxa catalítica e alta fidelidade também forem atingidas. É neste ponto que a enzima RNA de Ekland e Bartel começa a vacilar. Pode copiar até três resíduos do modelo com alta fidelidade, independentemente da sequência, mas não pode fazer mais do que isto.

Uma vez que uma enzima de RNA com atividade de replicase está em mãos, as coisas ficam mais realistas. Uma enzima de RNA com a capacidade de catalisar a replicação de RNA permitiria que a evolução darwiniana operasse de maneira auto-sustentada. A enzima produziria cópias adicionais de si mesma, o que, por sua vez, faria o mesmo, e assim por diante.

Como conseqüência da fidelidade imperfeita da replicase, surgiriam mutações, algumas das quais poderiam ser benéficas em relação à função replicase. Espera-se que a população em evolução de enzimas de RNA seja capaz de desenvolver especificidade para substratos que se assemelham, e replicar esses substratos com eficiência e fidelidade crescentes. A inovação evolutiva continuaria enquanto mutações seletivamente vantajosas fossem obtidas.

Será que tal processo criaria algo tão impressionante quanto a biologia atual? Talvez não, mas serviria como um modelo de trabalho para compreender melhor a hipótese do mundo de RNA e forneceria uma ferramenta poderosa para estudar a evolução molecular e a catálise de RNA.

A demonstração de uma enzima RNA com atividade replicase seria, sem dúvida, uma evidência adicional da existência de um mundo de RNA durante a história inicial da vida na Terra. Devemos notar que um processo de evolução darwiniana seria necessário para desenvolver tal molécula no laboratório. Assim, a questão permaneceria sobre como a evolução poderia ter começado em primeiro lugar. Para a resposta a essa pergunta, é preciso olhar mais afundo na química pré-biótica (Joyce, 1996).

Outro estudo publicado por Chen (1998) se propôs a determinar se um mundo de RNA tardio com um metabolismo diverso poderia ter sido sustentado por ribozimas. Após o exame das evidências disponíveis, parece que não apenas esse metabolismo mediado pela ribozima teria sido possível, mas, em muitos aspectos, a facilidade com a qual ribozimas simples, porém robustas e sítios de ligação de co-fator, podem ser selecionados. Isto argumenta fortemente a favor da evolução de ribo-organismos complexos. O surgimento de estromatólitos no início do registro fóssil levou à especulação de que os organismos baseados em proteínas dominaram a paisagem da Terra por mais de 3 bilhões de anos. Se isto de fato se confirmar, reforça ainda mais as notáveis capacidades dos ácidos nucléicos em desenvolver rapidamente múltiplos mecanismos de reação.

Mesmo com uma grande variedade de funcionalidades químicas, mais da metade das enzimas proteicas incorporam co-fatores para facilitar e diversificar ainda mais suas atividades catalíticas (White, 1982). Dadas as químicas limitadas disponíveis para os cinco nucleotídeos canônicos, co-fatores teriam sido necessários no mundo do RNA.

A necessidade de co-fatores na biologia acaba por ser uma das principais razões para inferir a existência de um antigo mundo de RNA. Muitos dos co-fatores ainda usados pelas enzimas proteicas parecem ter sido inventados pelas ribozimas; isto é, eles são baseados em grande parte em nucleotídeos em vez de aminoácidos.

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Evolução de ribozimas em um mundo dominado pelo RNA.

Evidências diretas de organismos baseados em RNA com quase 4 bilhões de anos são improváveis ​​de serem encontradas. Assim, o meio que temos para estudar nosso passado distante esta em testar hipóteses dentro dos laboratórios para tentar recriar as condições na qual os primeiros organismos surgiram.

Existem três vias evolutivas que pela qual podem surgir novas atividades ribozimáticas: I) a partir de uma seqüência aleatória; II) de uma ribozima existente, alterando sua estrutura global; ou III) de uma ribozima existente, mantendo sua estrutura global.

Três caminhos evolutivos para gerar novas ribozimas – (I) De novo aparência: ribozimas podem se originar de sequências aleatórias. (II) Quando novas atividades de ribozimas evoluem de uma ribozima existente, elas tendem a preferir uma nova dobra global. (III) Ficar com a dobra dos pais: poderia atuar como um elo evolutivo entre ribozimas parentais e filhas que mantiveram a mesma dobra. Cores e letras são usadas para ilustrar as transições evolutivas no nível de estrutura e sequência.

O primeiro caminho teria sido mais importante no começo do mundo do RNA, onde as ribozimas teriam que aparecer de novo a partir de seqüências mais ou menos aleatórias. A probabilidade desses eventos ocorrerem depende do conteúdo informacional de cada ribozima. Um exemplo para uma pequena ribozima é a recém-descoberta ribozima aminoacilante que apresenta três nucleotídeos conservados (Chumachenko et al, 2009); essa ribozima pode ter sido frequente em um mundo de RNA. No entanto e cada bit de informação de sequência faz com que a aparência de uma ribozima maior seja menor e menos provável (Carothers et al, 2004). Um exemplo para uma ribozima de tamanho médio é a ligase de classe I que apresenta 92 nucleótidos. Esta, poderia aparecer apenas uma vez em 3×10(18) moléculas de seqüência de RNA aleatório de 220 nucleotídeos (Ekland et al, 1995). Essas baixas probabilidades representam um grande obstáculo para que muitas ribozimas apareçam em um mundo de RNA mas, uma vez fagulhada e surgida, a evolução ribozimática atua de modo compreensivo.

A segunda via evolutiva descrita acima sugere como uma ribozima existente desenvolve uma atividade catalítica diferente – com as ribozimas parentais e filhas tendo dobras completamente diferentes. Essa via demonstrou existir por meio da engenharia de todos os intermediários evolutivos entre a ribozima HDV auto-clavante e a ribozima autoligável classe III (Schultes & Bartel, 2000). Todos os intermediários evolutivos delas têm uma dobra e uma atividade catalítica correspondente, ou a outra dobra com outra atividade correspondente. A seqüência de interseção pode assumir ambas as dobras. Enquanto este estudo mostrou que a via existe, um estudo diferente mostrou que esta via é realmente usada por ribozimas. Um exemplo prático é quando uma ribozima aminoacilase foi desafiada a evoluir para ribozimas quinase. Nela, as ribozimas derivadas escaparam da dobra prantal (Curtis & Bartel, 2005). Isto indica que o RNA parece predisposto a mudar sua dobra global durante a evolução porque a maioria das seqüências de RNA pode se dobrar em estruturas estáveis ​​(Schultes et al, 2005). Em outras palavras, uma dada sequência parental tem muitos vizinhos evolucionários que contêm uma atividade catalítica diferente, mas a maioria deles se dobra em diferentes estruturas globais. Isso explica porque pelo menos algumas ribozimas preferem escapar de sua prole parental durante seu processo evolutivo.

Na terceira via, uma nova atividade da ribozima é gerada a partir de uma ribozima existente, mas a ribozima filha mantém a dobra da ribozima parental. Este comportamento evolutivo é conhecido em proteínas (Soding & Lupas, 2003). A promiscuidade catalítica permite que a proteína parente catalise uma segunda reação em baixa extensão, então a evolução pode melhorar a eficiência desta segunda atividade (O’Brien & Herschlag, 1999). Todavia, o único exemplo de uma ribozima que indica tal caminho evolutivo é o intron do grupo I do self-splicing, que é capaz de catalisar várias reações intimamente relacionadas (Forconi & Herschlag, 2005). Descobriu-se agora uma ribozima que catalisa duas reações químicas muito diferentes, ambas acoplando covalentemente ribose e guanina (Lau & Unrau, 2009). Uma reação cria a ligação N-glicosídica como visto nos nucleotídeos atualmente, a outra cria uma conexão estável via química de base de Schiff e rearranjo de Amadori. Portanto, essa ribozima poderia atuar como um intermediário evolutivo entre duas ribozimas, cada uma específica para uma reação. Primeiro a promiscuidade e posteriormente a especialização ribozimática.

Esta ribozima provavelmente tem a mesma dobra global para ambas as atividades catalíticas, sendo assim a melhor evidência disponível que temos para compreender a evolução da ribozima a partir desta terceira via. Pesquisas futuras podem elucidar se vizinhos evolucionários dessa seqüência de interseção, e experimentos de seleção in vitro fornecer alguma luz se esse caminho evolucionário realmente ocorre.

Em contraste com os RNA, as enzimas proteicas parecem incapazes ou improváveis ​​de percorrer a primeira ou a segunda via evolutiva porque apenas muitas poucas sequências de aminoácidos especificam uma dobra estável. Assim sendo, os primeiros peptídeos provavelmente evoluíram usando o terceiro caminho através da construção de um arcabouço de RNA antes de serem capazes de se dobrar independentemente (Soding & Lupas, 2003). Posteriormente, novas etapas evolutivas teriam usado estes suportes de proteína dobráveis ​​independentemente para desenvolver novas atividades catalíticas (Seelig & Szostak, 2007).

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Conclusão

Embora um ribossomo primitivo composto por RNA tenha sido proposto (Crick, 1968 & Woese, 1967), é improvável que tal máquina complexa possa ter existido como precursor da vida. Em vez disso, é provável que múltiplos complexos menores de proteína ribonucléica com funções diferentes se integrassem durante a evolução em um conjunto universal.

As origens da novidade evolutiva por “mudanças funcionais” induzidas pelo recrutamento molecular são comuns e podem explicar as atividades ribossômicas modernas. Há então evidências filogenéticas que explicam a origem e emergência do ribossomo baseados nas ribozimas, e evidências cruciais em apoio à maquinaria primordial de ribonucleo-proteína universal, que posteriormente na evolução da proteína deu origem à síntese codificada.

Os papéis dos antigos componentes ribonucléico-proteicos universais não foram fixados desde o início e provavelmente seguem evoluindo. O que apontamos aqui indicam que: 1) síntese moderna de peptídeos emergiu como um processo secundário que facilitou leituras processivas primitivas de RNA; 2) o surgimento da tradução por processos mais simples e separados, uma vez que estes se agrupam em torno de um RNAt primordial com capacidade de codificação; e 3) o surgimento de um complexo de modelos iniciais pela integração de componentes dando origem a maquinaria catalítica moderna. Assim, o surgimento de um complexo aparelho de tradução ribonucleo-proteína universal melhorou e levou a origem e melhoria da qualidade das proteínas.

Modelo de evolução ribossômica – Uma representação cronológica da evolução do ribossomo mostra que muito cedo na evolução ribossômica (nd <0.3) hélices de RNAr interagiram com proteínas r para formar um núcleo de processabilidade que mediada interações de nucleotídeos, que posteriormente (nd = 0.3) serviu como centro para o acréscimo coordenado e equilibrado da ribonúcleo-proteína universal, levando à moderna função ribossômica. A estrutura púrpura indica o RNAm existente, que é usado como referência estrutural para a localização de centros funcionais primitivos. Presume-se que o ribossomo primordial tinha funções replicativas que provavelmente envolviam o RNA, então a molécula de RNAm do modelo cristalográfico deveria ser considerada como espaço reservado para a antiga molécula codificadora. O RNAr é renderizado como representação de fita, mRNA e proteínas como representações de preenchimento de espaço.

Essas proteínas assumiram a maioria das funções em uma célula em uma revisão fundamental do maquinário celular. Tal revisão teve profunda influência descrevendo a mecânica evolutiva da organização do domínio em proteínas (Wang & Caetano-Anollés, 2009) e padrões evolutivos dos domínios (Caetano-Anollés et al, 2011).

O ribossomo oferece então uma possibilidade de estudar o passado da vida na medida que seu complexo conta com a ocorrência de uma ribozima que protagoniza a ligação peptidil-transferase.

As proteínas do ribossomo são unidades estruturais que ajudam a organizar os principais elementos da ribozima presente no coração do complexo.

As eubactérias compartilham apenas 20 proteínas de sub-unidades grandes com eucariotos e archaeas dá suporte adicional à hipótese de que as proteínas ribossômicas foram adições tardias dando um reforço a tese de um mundo de RNA.

Uma característica definidora do RNA-World é que ele continha moléculas de RNA que eram capazes de sofrer evolução darwiniana baseada na seleção natural. Para que isto ocorra é necessário: 1) que a replicação de RNA seja direcionada por modelos; 2) a reação química de copia deve ser energeticamente favorável; 3) é necessário um catalisador eficiente para que a adição de monômero ocorra a uma taxa minimamente aceitável; 4) que o processo opere com fidelidade suficientemente alta para produzir cópias precisas; e 5) um RNA deve ser capaz de produzir uma cópia completa de um modelo que seja pelo menos tão longo e complexo quanto ele próprio.

Como conseqüência da fidelidade imperfeita da replicase, surgem mutações, algumas das quais poderiam ser benéficas em relação à função replicase. Espera-se que a população em evolução de um RNA auto-catalítico seja capaz de desenvolver especificidade. A inovação evolutiva continuaria enquanto mutações seletivamente vantajosas fossem obtidas.

Existem três vias evolutivas que pelas quais podem surgir novas atividades ribozimáticas: I) onde teriam que aparecer a partir de seqüências mais ou menos aleatórias; II) de uma ribozima existente, alterando sua estrutura global. Nela, ribozimas parentais e filhas possuem dobras completamente diferentes e evidentemente, funções catalíticas a substratos distintos. Isto indica que o RNA parece predisposto a mudar sua dobra global durante a evolução porque a maioria das seqüências de RNA pode se dobrar em estruturas estáveis; ou III) de uma ribozima existente, mantendo sua estrutura global. Contudo, ocorre uma promiscuidade catalítica permite que a proteína parente catalise uma segunda reação em baixa extensão, então a evolução pode melhorar a eficiência desta segunda atividade.

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Origem da vida, Evolução, DNA, RNA, Proteínas, RNA-World, Ribozim, Ribossomo.

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Referências

Bartel, D. J Szostak Isolation of new ribozymes from a large pool of random sequences Science, 261 (1993), pp. 1411-1418
Caetano-Anollés D, Kim KM, Mittenthal JE, Caetano-Anollés G (2011) Proteome evolution and the metabolic origins of translation and cellular life. J Mol Evol 72: 14–33.
Carothers et al., 2004 J.M. Carothers, S.C. Oestreich, J.H. Davis, J.W. Szostak J. Am. Chem. Soc., 126 (2004), pp. 5130-5137
Cech, T. R. et al. (1981) In vitro splicing of the ribosomal RNA precursor of Tetrahymena: involvement of the guanosine nucleotide in the excision of the intervening sequence. Cell 27, 487–496
Cech, T. R. The Ribosome Is a Ribozyme. Science, Vol 289. 2000
Cech, T. R. (Jul 2012). “The RNA worlds in context”. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 4 (7): a006742.
Chumachenko, N. V; Y. Novikov, M. Yarus J. Am. Chem. Soc., 131 (2009), pp. 5257-5263
Crick F.H. C. (1968) The origin of the genetic code. J Mol Biol 38: 367–379.
Curtis and Bartel, 2005 E.A. Curtis, D.P. Bartel Nat. Struct. Mol. Biol., 12 (2005), pp. 994-1000
David M. J. Lilley. The Ribosome Functions as a Ribozyme. ChembioChem, 2001, 2,31-35.
Ekland et al., 1995 E.H. Ekland, J.W. Szostak, D.P. Bartel Science, 269 (1995), pp. 364-370
Ekland, E. H DP Bartel RNA-catalyzed RNA polymerization using nucleoside triphosphates Nature, 382 (1996), pp. 373-376
Forconi and Herschlag, 2005 M. Forconi, D. Herschlag J. Am. Chem. Soc., 127 (2005), pp. 6160-6161
Forster AC, Symons RH (Apr 1987). “Self-cleavage of plus and minus RNAs of a virusoid and a structural model for the active sites”. Cell. 49 (2): 211–20.
Guerrier-Takada, C. et al. (1983) The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytically active subunit of the enzyme. Cell 35, 849–857
Hansen, J.L. et al. (2002) Structural insights into peptide bond formation. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 99, 11670–11675
Harish, A. Anollés, G. C. Ribosomal History Reveals Origins of Modern Protein Synthesis. Plos One. March 2012 |Volume 7 |Issue 3 |e32776
Johnston WK, Unrau PJ, Lawrence MS, Glasner ME, Bartel DP (May 2001). “RNA-catalyzed RNA polymerization: accurate and general RNA-templated primer extension” (PDF). Science. 292 (5520): 1319–25.
Joyce, G. F. The rise and fall of the RNA world New Biologist, 3 (1991), pp. 399-407 91291762
Joyce, G. F. Ribozymes: Building the RNA world. Current Biology – Volume 6, Issue 8, August 1996, Pages 965-967
Kruger K, Grabowski PJ, Zaug AJ, Sands J, Gottschling DE, Cech TR (November 1982). “Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena”. Cell. 31 (1): 147–57
Lau and Unrau, 2009 M.W. Lau, J.P. Unrau Chem. Biol., 16 (2009), pp. 815-825
Muller, U. F. Evolution of Ribozymes in an RNA World. Chemistry & Biology Volume 16, Issue 8, 28 August 2009, Pages 797-798
Neveu M, Kim HJ, Benner SA (Apr 2013). “The “strong” RNA world hypothesis: fifty years old”. Astrobiology. 13 (4): 391–403.
Nissen, P. J. Hansen, N. Ban, P. B. Moore, T. A. Steitz, Science 289,920 (2000)
O’Brien and Herschlag, 1999 P.J. O’Brien, D. Herschlag Chem. Biol., 6 (1999), pp. R91-R105
Patel BH, Percivalle C, Ritson DJ, Duffy CD, Sutherland JD (Apr 2015). “Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism”. Nature Chemistry. 7 (4): 301–7.
Schultes and Bartel, 2000 E.A. Schultes, D.P. Bartel Science, 289 (2000), pp. 448-452
Schultes et al., 2005 E.A. Schultes, A. Spasic, U. Mohanty, D.P. Bartel Nat. Struct. Mol. Biol., 12 (2005), pp. 1130-1136
Seelig, B. Jäschke, A. Chem. Biol. 1999, 6, 167–176.
Seelig and Szostak, 2007 B. Seelig, J.W. Szostak Nature, 448 (2007), pp. 828-831
Shen, Liang.; Hong-Fang, Ji (2011). “Small Cofactors May Assist Protein Emergence from RNA World: Clues from RNA-Protein Complexes”. PLOS One. 6 (7): e22494.
Soding and Lupas, 2003 J. Soding, A.N. Lupas Bioessays, 25 (2003), pp. 837-846
Steitz, T. A.; Moore, P. B. RNA, the first macromolecular catalyst: the ribosome is a ribozyme.TRENDS in Biochemical Sciences Vol.28 No.8 August 2003
Wang M, Caetano-Anollés G (2009) The evolutionary mechanics of domain organization in proteomes and the rise of modularity in the protein world. Structure 17: 66–7
White, H. B. in +The Pyridine Nucleotide Coenzymes/, Eds. J. Everse, K. Anderson, K.-S. Yu, Academic Press, New York, 1982, p. 1 – 17
Woese, C. The Genetic Code (New York: Harper and Row, 1967).
Chen, X. Li, n. and Ellington, A. D. Ribozyme Catalysis of Metabolism in the RNA World. Chemistry & biodiversity – vol. 4 (2007).
Zhaug, B. and Cech, T.R. (1998) Peptidyl transferase ribozymes: trans reaction, structural characterization and ribosomal RNA. Chem. Biol. 5, 539–553

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