O Peptídio primordial

As proteínas são polímeros de aminoácidos conectados através de ligações amida. No caso específico de ligações entre aminoácidos, são chamadas de ligações peptídicas. A reação poderia ser descrita como a reação entre o grupo NH₂ de um aminoácido e o grupo COOH de outro aminoácido, liberando água, contudo, a reação não ocorre e essa limitação pode ser compreendida pela natureza química dos reagentes.

Os aminoácidos estão na forma de duplo íon (zwitterion) entre pH 3 e 10. Abaixo de pH 2 estão na forma positiva em que o grupo amônio e o COOH estão protonados, e acima de pH 12 estão na forma de NH₂ e carboxilato.
Em nenhuma destas condições ocorre a condensação entre aminoácidos em bons rendimentos, porque a amina na forma de NH₃⁺ não reage, e o ácido carboxílico na forma de COO- afasta qualquer grupo que reaja sobre o carbono do C=O.
Além das considerações sobre a reatividade química, a termodinâmica também não favorece a formação da ligação amida. A energia livre da síntese da ligação amida da formação da glicil-glicina é de 15 kJ/mol (3,5 kcal/mol). Ou seja, é uma reação endotérmica, cuja constante de equilíbrio é de 3.10^-3, o que favorece claramente os aminoácidos livres em detrimento do peptídio. Em meio aquoso, o equilíbrio está deslocado para a formação dos aminoácidos livres, contudo em ambientes com pouca água, a hidrólise é lenta.
A reação requer a entrada de energia, que nos seres vivos vem do uso de moléculas com alta energia, como o ATP. A síntese de peptídios inicia pela ativação do grupo carboxi, através da fosforilação com ATP. Na sequência, uma fita de RNA transportador substitui o fosfato, formando um éster com a ribose.

O aminoácido ligado à fita de RNA transportador chega ao ribossomo, onde é transferido à crescente cadeia peptídica. A forma que a sequência de aminoácidos é sintetizada em um laboratório é semelhante à síntese no ribossomo. Desde Merrifield, laureado com Nobel de Química 1984, o principal método de síntese de proteínas ocorre em fase sólida, fixando o aminoácido de partida em um polímero.
A sequência de ativação segue através da adição de um novo aminoácido protegido, remoção do grupo protetor, uma nova ativação e adição de um novo aminoácido protegido, e assim por diante. O primeiro passo é a proteção do grupo NH₂ do aminoácido para impedir a auto-reação após a ativação do grupo carboxi. Os grupos protetores diminuem a reatividade do nitrogênio como nucleófilo por efeitos estéreo (espacial) ou eletrônico. Um dos grupos protetores mais utilizado é o Fmoc (fluorenilmetiloxicarbonil), e a reação de proteção é mostrada a seguir.

O esquema abaixo mostra uma síntese de peptídios em fase sólida. A proteína sintetizada é liberada na última etapa.

Os estudos que foram feitos mostraram que em condições térmicas, que dirigiriam o equilíbrio para a síntese da amida pela remoção de água para a fase gasosa, foram sintetizados dipeptídios, tripeptídios em quantidades ínfimas, porém os produtos obtidos em maiores quantidades são as 2,4-dicetopiperazinas,ⁱ que são altamente estáveis a hidrólise e proteólise, o que descarta sua possível função no crescimento de cadeias peptídicas.ⁱⁱ Pelo contrário, sua síntese é indesejável em qualquer processo que envolva a síntese de peptídios. A reação é usualmente acompanhada de epimerização (inversão de configuração em torno do carbono assimétrico), quando são utilizados aminoácidos com estereoquímica definida.ⁱⁱⁱ

Entretanto, a condensação entre glicina e ácido glutâmico forma o polímero poli-gli-glu de forma ordenada sobre óxido de alumínio em condições térmicas, e a regularidade do arranjo entre os aminoácidos é atribuída à formação da 2,4-dicetopiperazina entre glicina e ácido glutâmico.^iv.
As dificuldades relacionadas à síntese dos peptídios pode ser comprovada nas quantidades relativas dos compostos obtidos pela condensação da glicina detectada nos meteoritos de Murchison e Yamato-791198.^v As quantidades de glicilglicina e 2,4-dicetopiperazina foram de 4 e 23 pmol (10^-12 mol)/g, respectivamente, em Murchison 11 e 18 pmol /g, respectivamente em Yamato. A concentração de glicil-glicina foi cerca de 3-4 vezes menor do que a glicina livre, e o tripeptídio não foi detectado, assim como outros aminoácidos não foram reportados.
A tentativa de obter peptídios a partir do aquecimento de aminoácidos com outros minerais^vi e argilas^vii requer temperaturas altas e grandes concentrações de aminoácidos para obter rendimentos menores do que 5 %, e sempre com o predomínio da forma cíclica.
Ou seja, seria necessário que houvesse grande quantidade de aminoácidos à disposição para que uma pequena fração formasse um produto que não seria de utilidade para a construção de proteínas, como as dicetopiperazinas, ou seja, grandes superfícies cobertas de aminoácidos sob altas temperaturas.
Ainda assim, o crescimento da cadeia nessas condições tem-se mostrado impraticável, sendo que o comprimento máximo obtido tem sido de três aminoácidos, muito distante do comprimento das menores proteínas conhecidas.
A hipótese aceita é a condensação de aminoácidos no interior de argila. Até o momento, não existem dados que demonstrem uma eficiência catalítica importante para esses sistemas. Outra questão está relacionada com o ambiente em que teriam ocorrido os fenômenos pré-vida. A proteção dos raios ultravioleta de alta energia em uma atmosfera sem uma camada de ozônio requer uma cobertura, e por isso os mares são vistos como o ambiente mais propício. Não existem quaisquer evidências de aminoácidos livres no oceano, e para a reação de condensação seriam necessárias grandes concentrações de aminoácidos nos oceanos.
As questões científicas sobre esse tópico estão longe de serem respondidas, e são um convite para que pesquisadores engajados se disponham a resolvê-las.

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Síntese e degradação abiótica de açúcares

A explicação abiótica para a síntese dos açúcares é um desafio em particular, porque são moléculas pouco estáveis, com diversas reações de retrossíntese. A reação de formose, descoberta por Buttlerov tem sido apontada como o ponto de partida.ⁱ
A auto-condensação do formaldeído é lenta, e ainda não está claro qual o gatilho que dispara essa auto-condensação. A constante de equilíbrio para a dimerização do formaldeído para a síntese do glicolaldeído não é conhecida. Um cálculo grosseiro realizado por Weberⁱⁱ baseado somente em dados termodinâmicos, sugere em uma constante de equilíbrio de 40, contudo não leva em conta o mecanismo para a reação orgânica. Não existe qualquer indício sobre a viabilidade da reação, e esse pode ser um ponto de partida para uma investigação. Alguns pesquisadores afirmam que o glicolaldeído estava presentes já no início, citando sua presença no espaço.ⁱⁱⁱ
Quando o glicolaldeído está disponível, a reação apresenta auto-catálise, ou seja, o produto catalisa a reação do reagente.
O formaldeído gera glicolaldeído (1), que reage com o formaldeído através de uma condensação aldólica, formando gliceraldeído (2), que pode isomerizar para di-idroxiacetona e tetroses, como a 2-cetotetrose, que pode dar uma retro-aldol, formando o glicolaldeído, o que dá uma característica de auto-catálise para a reação.

A descoberta que o RNA pode atuar como catalisador em algumas reações, levou a hipótese do “RNA world”, em que o RNA seria a primeira molécula da vida, combinando as funções de auto-replicação e catálise.
Essa ideia é ainda hoje muito citada, porém esbarra em um ponto crítico: a baixa estabilidade da ribose. A reação da formose produz diversas pentoses e hexoses, sem seletividade para a ribose, e além disse é pouco eficiente como rota sintética, operando em pH alcalinos e requer concentrações altas de formaldeído, uma condição realmente difícil de obter, especialmente considerando reações concorrentes, como a reação de Cannizzaro.
Os açúcares são pouco estáveis em soluções ácidas ou básicas, levando a diversas reações de eliminação e polimerização,^iv mas mesmo em soluções neutras a ribose mostrou-se pouco estável e a instabilidade aumenta com a temperatura. Por exemplo, a meia vida da ribose a 100^o C é de 73 min e 300 dias a 25^o C em condições praticamente neutras^v e o pH de 8,2 do oceano atual aumentaria essa velocidade cerca de 50%.
Os experimentos sobre a estabilidade de açúcares levam a sérias dúvidas sobre a importância da glicólise como fonte de energia, dada a instabilidade dos açúcares, uma vez que estes não estariam disponíveis.

Contudo os dados de decomposição de açúcares no mesmo meio não aparecem nos livros sobre abiogênese.
Esta não é a única objeção séria sobre a formação de açúcares a partir do formaldeído. Medidas cinéticas indicam que a desproporcionação via Cannizzaro é mais rápida do que a reação via formose, a reação de Maillard entre açúcares e aminoácidos ocorre de forma irreversível nas mesmas condições, formando heterociclos como o furfural, e aldoses como a ribose e a glicose reagem com baixas concentrações de HCN (reação de Kiliani), resultando em ácidos carboxílicos de massa maior.
A reação de glicólise é a maior fonte de energia para os seres vivos, contudo a indisponibilidade de açúcares seria um maior impedimento para o surgimento desta etapa metabólica. A teoria do “RNA world” apresenta sérias dificuldades pela indisponibilidade de ribose para a formação de ribonucleosídios.

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