Dobrando proteínas - chaperonas

Dobrando proteínas - chaperoninas

A fita de aminoácidos sintetizada não se transforma em uma proteína globular por si mesma, antes passa por outras proteínas maiores chamadas de chaperoninas.

As chaperoninas possuem uma abertura e um espaço na forma de barril, com grupos que reposicionam os aminoácidos hidrofóbicos para o interior da futura enzima.

estrutura cônica de uma chaperonina, a partir do site https://pdb101.rcsb.org/motm/32. Créditos para David S. Goodsell and the RCSB PDB

Muitas vezes a enzima ainda passa pela remoção de alguns aminoácidos e a cadeia se torna rígida a partir da formação de pontes de dissulfeto. Somente após esses eventos pós-translacioniais a enzima se torna ativa.

A fita de aminoácidos é dobrada por enzimas conhecidas como pre-foldinas, que juntamente com as chaperoninas formam um complexo enzimático que dobra corretamente os grupos, virando as cadeias laterais para formar uma região hidrofóbica que dá a característica globular da enzima.

Essas enzimas orientam a definição do sítio ativo, do sítio alostérico, como se tivessem a memória da estrutura final. As ligações peptídicas se orientam para atingir os ângulos de ligação necessários para que a enzima atinja a sua forma final.

O mau funcionamento das chaperoninas resulta em erros de empacotamento e agregação das proteínas, formando depósitos conhecidos como amilóides, característico de doenças neurodegenerativas, como o Alzheimer.ⁱ Ao aquecer um do ovo, as proteínas movem-se mais rápido, se desdobram um pouco, perdem a sua conformação nativa e precipitam, formando uma estrutura sólida. O resultado é um omelete, e dentro da célula significa a perda de mobilidade das moléculas no citosol e o bloqueio completo das funções celulares.

iTrends Biochem Sci. 1995 Nov;20(11):456-9. Defective protein folding as a basis of human disease.Thomas PJ1, Qu BH, Pedersen PL.

Os maus replicantes

Replicação de moléculas orgânicas

A replicação é a reprodução de uma estrutura inicial. A forma mais comum ocorre quando a molécula original atua um “template” ou molde que atua no posicionamento correto da sequência de monômeros.

As propriedades do molde ou “template” necessárias são a forte interação com o monômero, como interações eletrostáticas, ligações de hidrogênio, dipolo-dipolo, van der Waals e pi stacking. O replicante pode ser igual ao molde original, conforme o esquema abaixo:

Ou o replicante pode ser diferente do molde, e gerar o molde original após uma nova replicação:

No primeiro caso, o molde forma o replicante que é igual ao próprio molde, e conforme a reação avança, mais molde é formado até que esgotem os reagentes. Em ambos os casos a velocidade que ocorre a reação pode aumentar conforme o produto é formado, resultando em uma auto-catálise.

Embora alguns autores apontem que a auto-catálise ocorre automaticamente, isto não é necessariamente verdadeiro, porque depende da etapa de junção dos grupos. Se esta junção não for ativada, a reação para na primeira etapa, quando os ligantes do molde são ocupados, resultando em um bloqueio do ciclo.

Os trabalhos de Julius Rebek demonstraram em derivados do acido de Kemp demonstraram que o produto atua como catalisador na reação de formação da ligação amida.

O modelo de Rebekⁱ mostra o prévio desenho da estrutura para obter a auto-catálise: o molde interage com as moléculas soltas e posiciona os grupos reativos. Nesta replicação, um derivado de ribose (1), reage com uma ftalimida derivada do ácido de Kemp e forma o produto 3, que interage ao mesmo tempo com outra unidade de 1 e de 2, o que aproxima, forma 3, que atua da mesma forma, resultando em um processo auto-catalítico e replicativo.

A reação requer um grupo ácido carboxílico ativado e a base trietilamina para promover a abstração do próton no complexo ativado, enquanto que a associação vem das ligações de hidrogênio entre a ftalimida e a amino-purina. Tanto a reação quanto a associação não ocorrem na presença de água, porque hidrolisam o éster e impedem a associação intermolecular.

A replicação foi obtida e a velocidade aumenta até que o reagente é consumido e neste momento cessa a reação.

Os resultados geraram grande entusiasmo em escritores evolucionistas, como Richard Dawkins, que usou tais sistemas para promover a ideia de uma possibilidade de uma bioquímica distinta, é necessário reconhecer que os elementos presentes na reação são bastante sofisticados, que não seriam disponíveis em sistemas pré-vida: a rigidez das estruturas moleculares, que leva a um correto posicionamento para que ocorra a reação, a complementaridade dos grupos que interagem a ativação do grupo carboxi. A soma destes fatores revela a “inteligência” do cientista que desenhou este sistema molecular reativo, e não a sua aleatoriedade. A replicação requer moléculas “melhoradas” no desenho e na sua capacidade reativa.

Esta replicação é uma pálida imitação dos processos naturais, porque assim que todo o reagente é consumido, ela cessa. Acabou. O sistema químico morreu. Se forem trazidos os conceitos da evolução darwiniana para a química, sistemas puramente replicativos morrem sem ter originado vida. As moléculas que se replicam mais rápido ganham a batalha, mas perdem a guerra.

iSelf-replicating system T. Tjivikua, P. Ballester, J. RebekJr. J. Am. Chem. Soc., 1990, 112 (3), pp 1249–1250 DOI: 10.1021/ja00159a057

O universo é pequeno demais para nós

A menor enzima conhecida é composta por 62 aminoácidos, o que significa que o RNA que originou é formado de 186 nucleotídios. O número de possibilidades de arranjos aleatórios com 186 nucleotídios é de 9,62 . 10¹¹¹. Considerando a massa média dos nucleotídios (338,5 g/mol), a massa deste material seria de 3,25.10¹¹¹ kg. A massa da Terra é de 5,94 . 10²⁴ kg, assim seria equivalente à massa de 5,45 . 10⁸⁶ Terras e muitas vezes (~10⁵⁸) a massa do Universo observável, estimada em 10⁵³ kg. Ao afirmar que a origem da vida é aleatória, é necessário lidar com estes números e encontrar os atalhos para formar as sequências que levaram à formação dos primeiros organismos vivos.

História da vida escrita a ferro

A revista Nature publicou na edição de 2 de março de 2017 um estudo¹ que compara depósitos minerais de hematita e outros óxidos de ferro descobertos na região do escudo canadense com aqueles formados por archaea metabolizadores de ferro e observaram uma grande similaridade morfológica.

A rocha em que estão incrustados foi datada por volta de 3,77 bilhões de anos, embora possa ser ainda mais antigo segundo outro método, chegando a 4,28 bilhões de anos. Se isso for verdade, colocaria o início da vida em um tempo muito próximo do resfriamento do planeta.

Esta descoberta também põe em xeque a história do oxigênio contada pelas BIFs (banded iron formation- formações de ferro bandados), que tenta relacionar a formação de BIFs com o surgimento do oxigênio, porque não seria necessário oxigênio para a oxidação do ferro, que agora seria feito por estes seres. Ou seja, ocorre a quebra do vínculo entre o surgimento dos BIFs e o acúmulo de oxigênio no planeta.

Um ponto importante é que o surgimento de BIF tem sido apontado como a evidência para o surgimento do oxigênio, e se os seres metabolizadores de ferro surgiram cedo, existe outra fonte para a formação dos óxidos de ferro em quantidade, e além disso, quebra a ideia que a atmosfera era inicialmente redutora e que o oxigênio foi surgindo aos poucos e capturado pelo ferro, até a sua completa oxidação.

1Evidence for early life in Earth’s oldest hydrothermal vent precipitates Matthew S. Dodd, Dominic Papineau, Tor Grenne, John F. Slack, Martin Rittner, Franco Pirajno, Jonathan O’Neil, Crispin T. S. Little doi: 10.1038/nature21377

O Supermercado Cósmico

Todos os elementos estáveis e alguns instáveis (radioativos) são encontrados na Terra, e a presença dos elementos com número atômico maior que o níquel é atribuída à explosão de supernovas. Segundo o conhecimento atual da bioquímica, é a disponibilidade de alguns elementos como o tungstênio, que fixa o nitrogênio, que permite a vida.

Atribui-se a estabilização seletiva da ribose (não tão seletiva assim) por borato, a sua possível formação via formose, embora o reagente principal, o formaldeído seja relativamente pouco estável. Porém os boratos são escassos na Terra, e se formam na presença de oxigênio, cuja existência é descartada na Terra primitiva, mas evidências de meteoros de Marte são uma evidência da sua existência naquele planeta.¹

A própria existência da água no planeta já foi atribuída a cometas, enquanto que Benner sugere que a formamida de nuvens intergaláticas tenha sido o ponto de partida². A própria Lua teria sido capturada pela Terra, pela falta de compatibilidade entre as distribuições isotópicas.

Em realidade, esta necessidade em recorrer ao supermercado cósmico vem da incompatibilidade entre alguns elementos que “deveriam” estar para que ocorresse a síntese das moléculas necessárias e fornecer uma narrativa do surgimento da vida a partir de moléculas simples, não importando a distância ou a probabilidade destes eventos. E assim vai a ciência.

1http://www.smithsonianmag.com/science-nature/did-life-come-to-earth-from-mars-2378085/?no-ist

2Prebiotic Synthesis of Ribose, Ribonucleosides, and RNA Benner et al.Vol. 45, No. 12’2012’2025–2034’ACCOUNTS OF CHEMICAL RESEARCH’

Problemas na teoria Fe-S

O campo relacionado com a pesquisa sobre origem da vida é multi-disciplinar, envolvendo desde a matemática até a química sintética, e não causa surpresa que um teoria química pré-estabelecida contradiz o pilar central de uma teoria desenvolvida depois. Neste caso, podemos falar de uma teoria “pré-falsificada”, que acaba sendo publicada:

a) instabilidades em fluidos quentes e alcalinos: tem sido proposta que a evolução primordial tenha ocorrido em um bloco de FeS com uma altura de ~10 m (teoria da membrana FeS), com replicação e catálise do RNA, surgindo LUCA (Martin and Russell 2003; Koonin and Martin 2005) e bactérias surgindo posteriormente. O interior do bloco seria como quente e alcalino (Russell et al. 1989; Russell and Hall 1997; Russell 2007; Martin and Russell 2003; Koonin and Martin 2005). Nestas condições as cadeias de RNA se auto-clivam pelo ataque nucleofílico do 2'-OH sobre a ponte fosfato anquimérica, levando à auto-destruição da cadeia, que aumenta com a alcalinidade e temperatura do meio.

b) acoplamnto energético com membranas Fe-S? De acordo com a teoria da membrana FeS, tem sido sugerido que esta membrana servia para acolplamento energético com um potencial para reações endoergônicas (Russell et al. 1989; Russell and Hall 1997; Russell 2007; Martin and Russell 2003; Koonin and Martin 2005). Uma membrana Fe-Se experimental, contudo se comporta mais como uma barreira permeável reativa do que como uma membrana. (Filtness et al. 2003; Rickard and Luther 2007).

adaptado de J Mol Evol (2016) 82:75–80 DOI 10.1007/s00239-015-9727-3

Martin W, Russell MJ (2003) On the origin of cells: a hypothesis for the evolutionary transitions from abiotic geochemistry to chemoautotrophic prokaryotes, and from prokaryotes to nucleated cells. Philos Trans R Soc B 358:59–85

Koonin EV, Martin W (2005) On the origin of genomes and cells within inorganic compartments. Trends Genet 21:647–654

Russell MJ, Hall AJ, Turner D (1989) In vitro growth of iron sulphide chimneys; possible culture chambers for origin-of-life experiments. Terra Nova 1:238–241

Russell MJ, Hall AJ (1997) The emergence of life from iron monosulfide bubbles at a submarine hydrothermal redox and pH front. J Geol Soc London 154:377–402

Russell MJ (2007) The alkaline solution to the emergence of life: energy, entropy and early evolution. Acta Biotheor 55:133–179

Filtness MJ, Butler IB, Rickard D (2003) The origin of life: the properties of iron sulphide membranes. Trans Inst Min Metall Sect B 112:171–172

Rickard D, Luther GW III (2007) Chemistry of iron sulfides. Chem Rev 107:514–562  

Mais oxigênio, por favor!

A presença de oxigênio na atmosfera é uma anomalia química, por sua alta reatividade. A sua presença na atmosfera é resultado da oxidação da água promovida por organismos vivos.

Desta forma, o seu surgimento na atmosfera seria o momento inicial para os primeiros seres vivos, e os principais marcadores geológicos considerados são as BIFs (banded iron formations), resultado da oxidação de sais de ferro(II) solúveis para ferro(III) insolúveis. Após a oxidação do ferro(II), o oxigênio tomaria conta da atmosfera passando para a atmosfera, atingindo uma pressão cerca de um décimo da atual, definindo o  grande evento de oxigenação (GOE), gerado pela  fotossíntese das cianobactérias. As estimativas é que este evento tenha iniciado há três bilhões de anos atrás até um bilhão de anos atrás.

Um mecanismo alternativo tem sido sugerido para a formação de BIFs, a oxidação de serpentinas (FeO) para magnetita (Fe3O4), gerando H2, considerando a maior temperatura da crosta promovida pela maior atividade radioativa.(1)

Outra teoria considera que o aumento de O2 atmosférico é resultado da passagem do vulcanismo submarino para terrestre. (2)

As hipóteses para o surgimento do oxigênio na atmosfera não apontam para um consenso, e não existem modelos confiáveis.

(1)Keller, C. B. & Schoene, B. Nature 485, 490–493 (2012).

(2)Kump, L, R.; Barley, M. E.; Increased subaerial volcanism and the rise of atmospheric oxygem 2.5 billion years ago. Nature 2007