Publicado: 24/12/2001Atualizado: 24/12/2001 |
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de Christian de Duve
Mundo de RNA, mundo de tioéster, protometabolismo, evolução pré-biótica, moléculas extraterrestres, origem da vida. Resumo A evolução química levando à vida celular na Terra cerca de 4 bilhões de anos atrás provavelmente passou por um estágio em que o RNA sozinho realizava todas as funções das macromoléculas modernas de RNA, DNA e proteínas. No entanto, o assim chamado mundo de RNA era por si só muito complexo para se originar diretamente das moléculas inorgânicas presentes na Terra pré-biótica. Mais possivelmente, o mundo de RNA surgiu de um tipo de metabolismo sustentado por ligações de compostos de enxofre chamados de tioésteres. Textos e Ilustrações Formas complexas de vida existem na Terra há pelo menos 3,55 bilhões de anos. Em rochas dessa idade, foram encontradas impressões fossilizadas de bactérias incrivelmente parecidas com cianobactérias, organismos atuais com um dos mais intrincados aparatos fotossintéticos. Depósitos de carbono relativamente mais ricos em carbono-12 do que em carbono-13 — um sinal de assimilação biológica de carbono — testemunham uma idade ainda mais antiga. Por outro lado, acredita-se que nosso jovem planeta, ainda convulsionado por erupções vulcânicas e bombardeado por cometas e asteróides, permaneceu inóspito para a vida por cerca de meio bilhão de anos após seu nascimento, juntamente com o resto do Sistema Solar, cerca de 4,55 bilhões de anos atrás. Isso deixa uma janela de tempo de talvez uns 200-300 milhões de anos para o surgimento da vida na Terra. Esse tempo já foi considerado curto demais para o aparecimento de algo tão complexo como uma célula viva. Disso sugeriu-se que os germes da vida devem ter vindo do espaço para a Terra com a poeira de cometas ou mesmo, como proposto por Francis Crick — um dos descobridores da dupla hélice do DNA —, em naves espaciais enviadas por alguma civilização distante. Nenhum indício em apoio dessas propostas foi encontrado até hoje. Enquanto isso, os motivos para cogitá-las, em grande parte, foram desaparecendo. Atualmente é amplamente aceito que se a vida surgiu espontaneamente por processos naturais — uma suposição necessária se quisermos nos ater ao terreno da Ciência — ela deve ter surgido de modo relativamente rápido, mais para termos de milênios ou séculos, ou menos até, do que em milhões de anos. Mesmo que a vida tivesse surgido em outro local, ainda teríamos que explicar sua origem primordial. Assim podemos bem assumir que a vida começou na própria Terra. Como esse evento tão importante se deu, depende ainda de muita suposição, mas não se trata mais de meras especulações. As pistas vêm da Terra, do espaço, dos experimentos de laboratórios e, especialmente, da própria vida. A história da vida na Terra está escrita nas células e nas moléculas dos organismos existentes. Graças aos avanços da Biologia Celular, Bioquímica e Biologia Molecular, os cientistas estão cada vez mais aptos para a compreensão desse texto. Uma importante regra desse exercício é reconstruir os eventos mais antigos na história da vida sem supor que tenham ocorrido com alguma antevisão. Cada passo deve ser pensado em termos de eventos antecedentes e concomitantes. Cada qual deve se sustentar por si mesmo e não pode ser visto como uma preparação para possibilidades futuras. Qualquer sinal de teleologia deve ser evitado. Blocos Elementares Os primeiros químicos cunharam o termo química "orgânica" para designar a parte da química que lidava com compostos produzidos por organismos vivos. A síntese da uréia por Friedrich Wöhler em 1828 é comumente acenada como a primeira prova de que uma "força vital" não era necessária para a síntese orgânica. Traços renitentes de misticismo vitalista, porém, permaneceram por um bom tempo associados à química orgânica, vista como um tipo especial de química dependente da vida que apenas a engenhosidade humana poderia igualar. A desmistificação final da química orgânica foi alcançada pela exploração do espaço. Análise espectroscópica da radiação vinda do espaço revelou que o cosmo era permeado por uma nuvem extremamente tênue de partículas microscópicas, chamadas de poeira interestelar, contendo uma variedade de combinações de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e, às vezes, enxofre e silício. Em grande parte, constituem-se de radicais-livres altamente reativos e pequenas moléculas que dificilmente seriam capazes de permanecerem intactas nas condições terrestres, mas que poderiam interagir entre si formando compostos orgânicos típicos, mais estáveis, muitos dos quais semelhantes às substâncias encontradas nos organismos vivos. Que tais processos de fato ocorrem é demonstrado pela presença de aminoácidos e outros compostos biologicamente significativos em corpos celestes — por exemplo, o meteorito caído em 1969 em Murchison, Austrália; o cometa Halley (que pôde ser analisado em sua passagem mais recente por meio de instrumentos transportados em uma nave espacial) e o satélite Titã de Saturno, cujos mares supõem-se serem feitos de hidrocarbonetos. É amplamente aceito que esses compostos não são produtos da vida, mas se formam espontaneamente por meio de reações químicas banais. A química orgânica nada mais é do que a química do carbono. Apenas é muito mais rica que a química de outros elementos — e, portanto, capaz de sustentar vida — por causa das propriedades associativas únicas do átomo de carbono. Com toda certeza, os primeiros blocos elementares da vida se originaram como todos os compostos químicos naturais — espontaneamente, de acordo com as leis da Termodinâmica. As primeiras pistas de que deveria ser assim vieram dos laboratórios, antes de se encontrar os indícios disso no espaço, através dos históricos experimentos de Stanley Miller que são, hoje em dia, citados nos livros textos de Ciências. No começo dos anos de 1950, Miller era um aluno de pós-graduação no laboratório de Harold Urey, da Universidade de Chicago, o descobridor do hidrogênio pesado e autoridade em formação de planetas. Ele conduziu experimentos planejados para se descobrir como relâmpagos — reproduzidos como descargas elétricas repetidas — deveriam ter afetado a atmosfera primitiva da Terra, que Urey acreditava ser uma mistura de hidrogênio, metano, amônia e vapor d'água. O resultado superou as maiores expectativas de Miller e lançou-o instantaneamente à celebridade. Em apenas alguns dias, mais de 15% do carbono do metano exposto a descargas elétricas no laboratório foram convertidos em uma variedade de aminoácidos, os blocos elementares das proteínas, e outros constituintes biólogicos em potencial. Embora não se acredite mais que a atmosfera primitiva fosse rica em hidrogênio como era suposta por Urey, a descoberta de que o meteorito de Murchison contém os mesmos aminoácidos obtidos por Miller, e até nas mesmas proporções relativas, indica fortemente que seus resultados têm algum significado. A descoberta de Miller desencadeou o nascimento de uma nova disciplina química, a química abiótica, que objetiva reproduzir em laboratório os eventos químicos que iniciaram o surgimento da vida na Terra, cerca de 4 bilhões de anos atrás. Além de aminoácidos e outros ácidos orgânicos, experimentos com química abiótica produziram açúcares, bem como bases púricas e pirimidínicas, algumas das quais são componentes dos ácidos nucléicos de desoxirribose (DNA) e de ribose (RNA) e outras substâncias biologicamente significativas, embora geralmente em condições mais controladas e com menores quantidades de produtos do que o esperado para um processo abiótico. O quão longe, em direção à complexidade biológica, os toscos processos estudados pela química abiótica podem nos levar não é certo ainda. Mas parece ser bastante provável que os primeiros blocos elementares da vida em nascimento foram fornecidos pelos aminoácidos e outras pequenas moléculas orgânicas como as que se sabem formarem prontamente em laboratório e nos corpos celestes. Em qual medida essas substâncias foram produzidas na Terra ou trazidas por cometas e asteróides que participaram da formação final de nosso planeta está ainda sob debate. O Mundo de RNA Quaisquer que sejam os primeiros eventos no caminho que levou à primeira célula viva, está claro que em algum ponto algumas das grandes moléculas biológicas encontradas nas células modernas devem ter surgido. Um considerável debate nos estudos sobre a origem da vida se tem dado em torno de qual das macromoléculas fundamentais surgiu primeiro — a questão original do 'o ovo ou a galinha?'. As células modernas utilizam quatro grandes classes de moléculas biológicas — ácidos nucléicos, proteínas, carboidratos e gorduras. O debate sobre a primeira das moléculas biológicas, porém, tem se centrado principalmente nos ácidos nucléicos, DNA e RNA, e nas proteínas. Cada uma dessas classes de molécula já foi apontada como o ponto de partida mais provável. Mas afinal qual delas deve ser o verdadeiro? Para responder a isso, devemos olhar para as funções que cada uma desempenha nos organismos atuais. As proteínas são os principais agentes estruturais e funcionais das células. Proteínas estruturais servem para se contruir todo tipo de componentes dentro da célula e ao redor dela. Proteínas catalíticas, ou enzimas, levam a cabo milhares de reações químicas em qualquer célula, entre elas a síntese de todos os outros constituintes biológicos (incluindo DNA e RNA), a quebra de alimentos e a produção e consumo de energia. Proteínas reguladoras comandam as numerosas interações que governam a expressão e a replicação de genes, o desempenho das enzimas, a interação entre as células e o ambiente e muitos outros processos. Pela ação de proteínas, as células e os organismos de que elas fazem parte são produzidos, desenvolvem-se, desempenham suas funções e evoluem do modo prescrito por seus genes e modulado pelo ambiente. Uma coisa que as proteínas não são capazes de fazer é replicar a si mesmas. Para ser mais claro, o que elas podem, e o fazem, é facilitar a formação de ligações entre seus aminoácidos. Mas elas não podem fazer isso sem a informação contida nos ácidos nucléicos, DNA e RNA. Em todos os organismos atuais, o DNA age como local de armazenamento de informação genética. O DNA contém, numa forma codificada, as instruções para a produção de proteínas. Mais especificamente, codificado no DNA está o ordem exata em que os aminoácidos, selecionados a cada passo dentre 20 variedades distintas, devem ser unidos para formar todas as proteínas do organismo. Em geral, cada gene contém as instruções para um proteína. O próprio DNA é formado por um arranjo linear de um grande número de unidades chamadas de nucleotídeos. Existem quatro tipos diferentes de nucleotídeos, conhecidos pelas iniciais de suas bases constituintes: A (adenina), G (guanina), C (citosina) e T (timina). A seqüência de nucleotídeos determina a informação contida nas moléculas, como a seqüência de letras nas palavras. Dentro de cada célula, as moléculas de DNA são formadas por duas fitas de DNA que se enrolam uma em volta da outra numa formação chamada de dupla-hélice. As duas fitas são mantidas unidas por ligações entre as bases de cada uma. A ligação é relativamente específica, assim, A sempre se liga a T e G sempre pareia com C nas fitas opostas de DNA. Essa complementaridade é crucial para a replicação fiel das fitas de DNA antes da divisão celular. Durante a replicação do DNA, as fitas de DNA se separam e cada uma delas serve como molde para a replicação de sua fita complementar. Sempre que há um A no molde, um T é adicionado na fita em formação. Ou, se é T que está presente, então um A é adicionado na fita em crescimento. O mesmo ocorre com G e C. Em sua estrutura característica de dupla-hélice, as duas fitas portam a mesma informação em versões complementares, como o positivo e o negativo de uma mesma foto. Pela replicação, a fita positiva serve de molde para a formação de uma nova fita negativa e a negativa para uma nova positiva, produzindo duas dupla-hélices idênticas. Para que o DNA cumpra seu papel primário de dirigir a construção de proteínas, uma molécula intermediária deve ser produzida. O DNA não participa diretamente da síntese de proteínas. Essa é a função de um parente químico bastante próximo, o RNA. A expressão do DNA se inicia quando uma molécula de RNA é construída portando a informação do gene contida na molécula de DNA. O RNA, como o DNA, é constituído de nucleotídeos, mas U (uracila) toma o lugar de T. A construção da molécula de RNA segue as mesmas regras da replicação do DNA. A cópia de RNA, chamada de transcrito, é uma cópia complementar do DNA, com U (em lugar de T) inserido cada vez que A aparece no molde de DNA. A maioria dos transcritos de RNA, sempre após alguma modificação, fornece a informação para a formação das proteínas. A seqüência de nucleotídeos ao longo do RNA codificante, apropriadamente chamado de RNA mensageiro, especifica a seqüência de aminoácidos na molécula correspondente de proteína — três nucleotídeos sucessivos (chamados de códon) no RNA especifica um aminoácido a ser utilizado na proteína. O processo é chamado de tradução e a correspondência entre códons e aminoácidos define o código genético. Nem todas as moléculas de RNA são mensageiras, no entanto. Alguns dos RNAs participam da síntese protéica por outros modos. Alguns, na verdade, fazem parte da maquinaria celular que produz as proteínas. Esses são chamados de RNA ribossômicos e podem incluir o catalisador que efetivamenete une os aminoácidos através de ligações peptídicas, de acordo com o trabalho de Harry Noller da Universidade da Califórnia em Santa Cruz. Outros RNAs, chamados de RNA transportadores, levam os aminoácidos apropriados para o ribossomo. Conforme a Biologia Celular progride, mais funções dos RNA têm sido descobertas. Por exemplo, algumas moléculas de RNA participam na replicação de DNA, enquanto outras auxiliam a processar os RNA mensageiros. Os cientistas, considerando a origem das moléculas biológicas, são confrontados com uma grande dificuldade. Nas células modernas, cada uma dessas moléculas é dependente das outras duas tanto para sua produção quanto para seu funcionamento. O DNA, por exemplo, é meramente um conjunto de instruções e não pode realizar nenhuma função catalítica, nem se replicar por si mesmo. As proteínas, por outro lado, realizam a maioria das funções catalíticas, mas não podem ser produzidas sem as especificações codificadas no DNA. Um cenário possível para a origem da vida poderia incluir a possibilidade de que dois tipos de moléculas tenham evoluído conjuntamente, uma informacional e outra catalítica. Mas esse cenário é extremamente complicado e altamente improvável.
 Outra possibilidade é que uma dessas moléculas possa sozinha realizar múltiplas funções. Os teóricos, considerando essa possibilidade, começaram a olhar seriamente para o RNA. Em primeiro lugar, a ubiqüidade da molécula nas células modernas sugere que ela é uma molécula muito antiga. Parece também ser altamente adaptável, participando em todos os processos relacionados ao processamento de informação dentro da célula. Durante um tempo, a única coisa que o RNA parecia não ser capaz de fazer era catalisar reações químicas. Esse ponto de vista mudou quando no fim dos anos de 1970, Sydney Altman da Universidade de Yale e Thomas Cech da Universidade de Colorado, em Boulder, independentemente descobriram moléculas de RNA que de fato podiam excisar cataliticamente partes de si mesmas ou de outras moléculas de RNA. O enigma do ovo e da galinha da origem da vida parecia ter se encerrado. Atualmente parece ser teoricamente possível que poderia ter havido uma molécula de RNA que naturalmente contivesse a seqüência de informações para sua reprodução através de pareamento recíproco de bases e pudesse também catalisar a síntese de mais fitas semelhantes de RNA. Em 1986, o químico Walter Gilbert de Harvard cunhou o termo "mundo de RNA" para se referir ao estágio hipotético no desenvolvimento da vida em que "moléculas de RNA e co-fatores [constituissem] um conjunto suficiente de enzimas para conduzir todas as reações químicas necessárias para a primeira estrutura celular." Hoje é quase uma questão de dogma* que a evolução da vida incluiu uma fase em que o RNA era a macromolécula biológica predominante. Origem e Evolução do Mundo de RNA Ainda que muitas pessoas estejam certas de que o mundo de RNA foi uma fase crucial na evolução da vida, ela não pode ter sido a primeira. Alguma forma de química abiótica deve ter existido antes do RNA aparecer. Para fins desta discussão, chamarei essa fase anterior de "protometabolismo" para designar um conjunto de reações químicas desconhecidas que geraram o mundo de RNA e sustentaram sua existência (em oposição ao metabolismo — o conjunto de reações químicas, catalisadas por enzimas protéicas, que mantêm todos os organismos vivos atuais). Por definição, protometabolismo (que poderia ter se desenvolvido com o tempo) esteve em ação até o domínio do metabolismo. Várias etapas podem ser distinguidas nessa transição. Na primeira etapa, uma via que transformava matéria orgânica bruta em RNA deve ter se desenvolvido. Os primeiros blocos elementares da vida deveriam ser convertidos nos constituintes dos nucleotídeos, a partir dos quais os próprios nucleotídeos deveriam ser formados. Disso, os nucleotídeos deveriam ser unidos para produzir as primeiras moléculas de RNA. Os esforços para se reproduzir esses eventos em laboratório têm sido apenas parcialmente bem sucedidos até agora, o que é compreensível em vista da complexidade da química envolvida nisso. Por outro lado, é também surpreendente, uma vez que eles devem ter sido reações rústicas para sustentar o mundo de RNA por um longo período. Ao contrário do que é por vezes propalado, a idéia de um punhado de moléculas de RNA se reunindo por algumas combinações casuais de circunstâncias e a partir daí se reproduzido e amplificado simplesmente não é sustentável. Não poderia haver nenhuma replicação sem suporte químico vigoroso continuamente produzindo os materiais e energia necessários. O desenvolvimento da replicação de RNA deve ter sido o segundo estágio na evolução do mundo de RNA. O problema não é tão simples como pode parecer à primeira vista. Tentativas de se sintetizar — com consideravelmente mais antevisão e suporte técnico do que o mundo pré-biótico deveria ter — uma molécula de RNA capaz de catalisar a replicação de RNA têm fracassado até o presente momento.
 Com o advento da replicação de RNA, a evolução darwiniana se tornou possível pela primeira vez. Por causa dos inevitáveis erros de cópia, um número de variantes das moléculas-molde originais se formaram. Algumas dessas variantes se replicaram mais rapidamente do que outras ou se provaram mais estáveis, assim progressivamente ultrapassando em número as moléculas menos favorecidas. Por fim, uma única espécie molecular, combinando replicabilidade e estabilidade de modo otimizado sob as condições reinantes, tornou-se dominante. Isso, em nível molecular, é exatamente o mecanismo postulado por Darwin para a evolução dos organismos: variação casual, competição, seleção e aumento da entidade mais bem adaptada. O cenário não é apenas uma construção no plano das idéias. Isso tem sido comprovado várias vezes em laboratório com a ajuda de enzimas replicadoras virais. A primeira ocasião foi em 1967, pelo bioquímico americano Sol Spiegelman da Universidade de Columbia.
 Uma possibilidade intrigante é que a replicação seria ela mesma um produto de seleção molecular. Parece pouco provável que o protometabolismo tenha produzido apenas as quatro bases encontradas no RNA: A, U, G e C, prontas, por coincidências marcantes, a se parearem permitindo a replicação. A química não possui tal tipo de antevisão. Com toda certeza, as quatro bases se originaram junto com várias outras substâncias similarmente constituídas de um ou mais anéis contendo carbono e nitrogênio. De acordo com a lista atual, tais substâncias poderiam incluir outros membros da família das purinas (que inclui A e G), da pirimidinas (que inclui U, T e C), nicotinamida e flavina, ambas das quais realmente se envolvem em combinações semelhantes a nucleotídeos, e pterinas, entre outros compostos. As primeiras moléculas semelhantes aos ácidos nucléicos provavelmente continham uma combinação desses compostos. Moléculas ricas em A, U, G e C então foram progressivamente selecionadas e aumentadas, uma vez que surgisse um mecanismo rudimentar de síntese dependente de molde permitindo o pareamento de bases. O RNA, como existe hoje, deve assim ser o primeiro produto da seleção molecular. Um terceiro estágio na evolução do mundo de RNA foi o desenvolvimento da síntese protéica dependente de RNA. Mais provavelmente, a maquinaria química apareceu primeiramente, ainda sem a orientação de informações genéticas, como um resultado de interações entre certas moléculas de RNA, os precursores dos futuros RNA transportadores, ribossômicos e mensageiros e aminoácidos. A seleção envolvida de moléculas de RNA pode ser razoavelmente explicada com base em vantagens das moléculas, como delineado acima. Mas, sem a ocorrência de algo a mais, a evolução teria parado nesse estágio. As moléculas de RNA não poderiam mais ser selecionadas apenas com base no que elas eram, mas no que elas faziam; isto é, a realização de alguma atividade catalítica, mais proeminentemente a fabricação de proteínas. Isso implica que as moléculas de RNA capazes de participar na síntese protéica tinham vantagem seletiva, não porque fossem elas mesmas mais fáceis de se replicar ou mais estáveis, mas porque as proteínas que elas faziam favoreciam sua replicação por algum tipo de alça indireta de retroalimentação. Essa etapa assinala o limite do que poderia ocorrer em uma sopa sem estruturação. Uma evolução posterior só ocorreria em um sistema dividido em um grande número de células primitivas, ou protocélulas, competindo e capazes de crescer e se multiplicar por divisão. Essa divisão poderia ter ocorrido antes. Ninguém sabe. Mas não poderia ter ocorrido depois. Essa condição implica que o protometabolismo também produziu os materiais necessários para a formação das membranas envolvendo as protocélulas. No mundo atual, esses materiais são moléculas complexas de proteínas e gorduras. Eles provavelmente eram mais simples no mundo de RNA, embora mais elaborados do que a "gosma" ou o "caldo" indiferenciados que geralmente são sugeridos. Uma vez que a maquinaria química para a síntese protéica estivesse estabelecida, a informação poderia entrar no sistema, via interações entre certos componentes de RNA da maquinaria — o futuro RNA mensageiro — e as moléculas de RNA transportadoras de aminoácidos — os futuros RNA transportadores. A tradução e o código genético desenvolveram-se progressivamente durante esse estágio, que presumivelmente era dirigido pela competição darwiniana entre as protocélulas portadoras de diferentes variantes de moléculas de RNA envolvidas. Qualquer mutação do RNA que tornasse as estruturas de proteínas úteis mais diretamente dependentes da estrutura do RNA replicador, aumentando assim a capacidade de replicação das próprias proteínas úteis, conferiria alguma vantagem evolutiva para a protocélula, que poderia competir mais eficientemente por recursos disponíveis e crescer e multiplicar mais rapidamente do que outras. O mundo de RNA entrou no último estágio em sua evolução quando a tradução se tornou suficientemente acurada para associar sem ambigüidades as seqüências das proteínas do indivíduo com as seqüências dos genes de RNA do indivíduo. Essa é a situação que existe hoje em dia (com o DNA portando a informação genética primária), exceto que os sistemas atuais são muito mais acurados e elaborados do que os primeiros sistemas devem ter sido. Mais provavelmente, os primeiros genes de RNA eram bem curtos, não mais longos do que 70 a 100 nucleotídeos (genes modernos apresentam vários milhares de nucleotídeos), com as proteínas correspondentes (mais provavelmente fragmentos de proteínas, chamados de peptídeos) contendo não mais do que 20 a 30 aminoácidos. É durante esse estágio que as enzimas protéicas devem ter se originado, surgindo uma a uma como resultado de algumas mutações nos genes de RNA e permitindo à protocélula mutante realizar uma nova reação química ou melhorar uma reação já existente. As melhorias permitiriam à protocélula crescer e se multiplicar mais eficientemente que outras protocélulas em que as mutações não tivesse ocorrido. Esse tipo de seleção darwiniana deve ter ocorrido várias vezes na sucessão, permitindo ao metabolismo dependente de enzima susbstituir gradativamente o protometabolismo. O surgimento do DNA sinalizou um refinamento a mais no sistema de processamento de informação celular, embora a época desse desenvolvimento não possa ser datada precisamente. Não é claro também se o DNA surgiu durante o mundo de RNA ou depois. Certamente, conforme os sistemas genéticos se tornaram mais complexos, houve maiores vantagens em armazenar a informação genética em uma molécula separada. As mutações químicas necessárias para derivar o DNA a partir de RNA são relativamente triviais. E é concebível que uma enzima replicadora de RNA possa ter sido cooptada para transferir a informação do RNA para o DNA. Se isso ocorreu durante o mundo de RNA, provavelmente ocorreu perto de seu fim, após a maior parte das maquinarias dependente de RNA ter sido estabelecida. O que podemos concluir desse cenário, que, embora puramente hipotético, desenha numa sucessão lógica os eventos que devem ter ocorrido se aceitarmos a hipótese do mundo de RNA? E o que podemos inferir, se o pudermos, sobre o protometabolismo que deve tê-lo precedido? Posso ver três propriedades. Primeiro, o protometabolismo envolveu um conjunto estável de reações capazes não apenas de gerar o mundo de RNA, mas também de sustentá-lo pelo tempo evidentemente longo que levou para o aparecimento da replicação do RNA, síntese protéica e tradução, bem como a estréia das enzimas e do metabolismo. Segundo, o protometabolismo envolveu um conjunto complexo de reações capazes de produzir as moléculas de RNA e seus componentes, proteínas, componentes de membrana e possivelmente uma variedade de co-enzimas, freqüentemente mencionados como parte do arsenal catalítico do mundo de RNA. Finalmente, o protometabolismo deve ter sido congruente com o metabolismo dos dias de hoje; isto é, deve ter seguido vias similares das do metabolismo atual, mesmo que não utilizasse exatamente os mesmos materiais e reações. Muitos especialistas em química abiótica discordam dessa visão, que, no entanto, vejo como obrigatória pelo modo seqüencial em que os catalisadores enzimáticos do metabolismo devem ter surgido e sido adotados. A fim de ser útil e conferir vantagem seletiva para a protocélula mutante, cada nova enzima deve ter encontrado uma ou mais substâncias sobre as quais agir e uma saída para seu produto ou produtos. Em outras palavras, a reação que ela catalisava deve ter se encaixado à rede protometabólica. Para ser mais exato, quanto mais enzimas eram acrescentadas e começavam a construir sua própria rede, novas vias ter-se-iam desenvolvido, mas apenas como extensão do que era inicialmente uma rede congruente. O Mundo de Tioéster É bem possível, então, que as pistas para a natureza desse protometabolismo primordial existam dentro do metabolismo atual. Várias propostas desse tipo têm sido feitas. A minha centra-se na ligação da entidade portadora de enxofre e carbono chamada de grupo acila, que produz um composto chamado de tioéster. Vejo a ligação de tioéster como primitiva no desenvolvimento da vida. Deixe-me expor resumidamente as minhas razões.
 Um tioéster se forma quando um tiol (cuja forma genérica é escrita como um grupo orgânico, R, ligado a enxofre e hidrogênio, daí R-SH) se une a um ácido carboxílico (R'-COOH). Uma molécula de água (H2O) é liberada no processo e o que resta é um tioéster: R-S-CO-R'. O que chama atenção nessa ligação é que, primeiramente, seus ingredientes são provavelmente componentes da sopa pré-biótica. Aminoácidos e outros ácidos carboxílicos são a mais conspícua substância encontrada tanto nos vidros de Miller quanto nos meteoritos. Por outro lado, tióis devem se formar rapidamente no tipo de cenário vulcânico, rico em sulfetos de hidrogênio (H2S), provavelmente presentes na Terra pré-biótica. Unir esses elementos em tioésteres necessitaria de energia. Há vários mecanismos possíveis para isso, aos quais me referirei mais tarde. Por enquanto, assumamos que os tioésteres estivessem presentes. O que eles poderiam ter feito? A ligação de tioéster é o que o bioquímicos chamam de ligações de alta energia, equivalente às ligações de fosfato no trifosfato de adenosina (ATP), que é a principal moeda energética em todos os organismos vivos. Ela consiste de monofosfato de adenosina (AMP) — na verdade, um dos quatro nucleotídeos do qual o RNA é feito — ao qual dois grupos fosfatos são acrescentados. A quebra de qualquer uma dessas duas ligações de fosfato do ATP libera energia, que abastece a grande maioria dos fenômenos biológicos que requerem energia. Por sua vez, o ATP deve ser reconstituído para a continuação do trabalho. É revelador que os tioésteres sejam intermediários obrigatórios em diversos processos-chave em que o ATP é utlizado ou recomposto. Tioésteres estão envolvidos na síntese de todos os ésteres, incluindo os encontrados em lipídeos complexos. Eles também participam da síntese de numerosos outros componentes celulares, incluindo peptídeos, ácidos graxos, esteróis, terpenos, porfirinas e outros. Além disso, tioésteres são formados como intermediários-chave em diversos processos particularmente antigos que resultam da produção de ATP. Nesses dois exemplos, o tioéster é mais próximo aos processos que usam ou geram a energia do que o próprio ATP. Em outras palavras, tioésteres poderiam realmente ter desempenhado o papel do ATP num mundo de tioéster inicialmente desprovido de ATP. Conseqüentemente, seus tioésteres teriam conduzido ao ATP por sua habilidade de promoverem a formação de ligações entre grupos fosfatos. Entre as substâncias que se formam de tioésteres em organismos atuais estão inúmeros peptídeos bacterianos constituídos de até 10 ou mais aminoácidos. Isso foi descoberto pelo bioquímico teuto-americano Fritz Lipmann, o "pai da bioenergética", ao final dos anos de 1960. Mas mesmo antes disso, Theodor Wieland da Alemanha descobriu em 1951 que os peptídeos formam-se espontaneamente de tioésteres de aminoácidos em solução aquosa. A mesma reação poderia ter ocorrido num mundo de tioéster, em que os aminoácidos estivessem presentes na forma de tioésteres. Entre os peptídeos resultantes e análogos às macromoléculas multi-unitárias, que gosto de chamar de multímeros a fim de enfatizar sua heterogeneidade química, numerosas moléculas poderiam ser estruturalmente e funcionalmente similares a pequenas proteínas catalíticas que inauguraram o metabolismo. Assim, sugiro que os multímeros derivados de tioésteres forneceram os primeiros catalisadores semelhantes à enzimas para o protometabolismo. O mundo de tioéster assim representa um estágio inicial hipotético no desenvolvimento da vida que poderia fornecer o quadro energético e catalítico do conjunto protometabólico das reações químicas primitivas que levaram dos primeiros blocos elementares da vida ao mundo de RNA e subseqüentemente sustentaram o mundo de RNA até que o metabolismo dominasse. Essa hipótese implica que os tioésteres poderiam formar-se espontaneamente na Terra pré-biótica. Uniões entre tióis e ácidos poderiam ter ocorrido, embora numa taxa bastante baixa, em um meio quente e ácido. Eles podem também ter se originado na ausência de água, por exemplo, na atmosfera. Talvez uma possibilidade mais provável é que os tioésteres tenham se formado, como presentemente se formam no mundo, por reações acopladas a algum processo gerador de energia. O químico americano Arthur Weber, anteriormente do Instituo Salk e agora no Centro de Pesquisa Ames da NASA, na Califórnia, descreveu diversos mecanismos simples desse tipo que poderiam operar sob as condições da Terra primitiva.
 Presentemente, essas idéias são altamente especulativas, sendo apoiadas em grande parte pela necessidade de congruência entre protometabolismo e metabolismo, pelo papel-chave — e provavelmente antigo — desempenhado pelos tioésteres no metabolismo atual e pela provável presença de tioésteres na Terra pré-biótica. Mas alguns indícios experimentais têm apoiado o modelo do mundo de tioéster. Já mencionei o trabalho de Wieland, Lipmann e Weber. Recentemente, indícios bastante sugestivos provieram do laboratório de Miller, onde pesquisadores obtiveram sob condições pré-bióticas plausíveis as três moléculas — cisteamina, b-alanina e ácido pantóico — que produzem a substância natural conhecida com panteteína. Eles também observaram a rápida formação desse composto a partir desses três blocos elementares sob condições pré-bióticas. Convém que a panteteína é o tiol biológico mais importante, um catalisador que participa da maioria das reações envolvendo ligações de tioéster. Um Imperativo Cósmico Procurei aqui revisar alguns dos fatos e idéias que presentemente são levados em conta para explicar os estágios iniciais no surgimento espontâneo da vida na Terra. Quanto dos mecanismos hipotéticos considerados resistirá ao teste do tempo não sabemos. Mas uma afirmação pode ser feita com segurança a despeito da verdadeira natureza dos processos que geraram a vida. Esses processos devem ter sido altamente determinísticos. Em outras palavras, esses processos eram inevitáveis sob as condições que existiam na Terra pré-biótica. E mais, esses processos obrigatoriamente ocorrerão de modo similar onde quer que condições similares existam. Assim deve ser porque os processos são químicos e, dessa forma, são regidos por leis determinísticas que governam as reações químicas e as fazem reprodutíveis. Parece também provável que a vida poderia surgir em qualquer lugar com condições similares porque muitas etapas sucessivas são envolvidas. Um único evento, caprichoso e altamente improvável pode muito bem acontecer. Muito eventos improváveis — ter um número ganhador da loteria ou uma mão vencedora logo de saída no carteado — acontecem o tempo todo. Mas uma cadeia de eventos improváveis — o mesmo número ganhador da loteria corrido duas vezes ou a mesma mão vencedora no jogo de cartas distribuída duas vezes seguida — não ocorre naturalmente. Tudo isso me leva a concluir que a vida é uma manifestação obrigatória da matéria, forçosamente surgindo onde as condições forem apropriadas. Infelizmente, tecnologias disponíveis não nos permitem imaginar quantos lugares oferecem condições adequadas em nossa galáxia, muito menos no universo. De acordo com muitos especialistas que já trabalharam no problema — sobretudo, em relação ao projeto de busca por inteligência extraterrestre (SETI) — deve haver numerosos lugares assim, talvez até um milhão de locais por galáxia. Se esses especialistas estiverem certos, e se eu estiver correto, deve haver pelo menos isso de focos de vida pelo universo. A vida é um imperativo cósmico. O universo é repleto de vida. Bibliografia Deamer, D. W.; G. L. Fleischaker, eds. 1994. Origins of Life: The Central Concepts. Boston: Jones and Bartlett. de Duve, C. 1991. Blueprint for a Cell: The Nature and Origin of Life. Burlington, N.C.: Neil Patterson Publishers, Carolina Biological Supply Company. de Duve, C. 1995. Vital Dust: Life as a Cosmic Imperative. New York: Basic Books. Gilbert, W. 1986. The RNA World. Nature 319: 618. Gilbert, W. 1987. The exon theory of genes. Cold Spring Harbor Symposium on Quantative Biology 52: 901-905. Keefe, A. D., G. L. Newton; S. L. Miller. 1995. A possible prebiotic synthesis of pantetheine, a precursor of coenzyme A. Nature 373: 683-685. Miller, S. L. 1953. A production of amino acids under possible primitive earth conditions. Science 117: 528-529. Noller, H. F, V. Hoffarth; L. Zimniak. 1992. Unusual resistance of peptidyl transferase to protein extraction procedures. Science 256: 1416-1419. Schopf, J. W. 1992. The oldest fossils and what they mean. InMajor Events in the History of Life, ed. J. W. Schopf. Boston: Jones and Bartlett, pp. 29-63. Schopf, J. W. 1993. Microfossils of the early Archaean apex chert: new evidence of the antiquity of life. Science 260: 640-646. Notas * - A palavra 'quase' ('almost') é salvadora: significa tão somente que um bom número de cientistas acha que os indícios disponíveis atualmente são suficientes para se considerar a hipótese do "mundo de RNA" como uma história muito bem contada, mas que deve ser reconhecido, ao mesmo tempo, que ainda falta muito para considerá-lo provado acima de qualquer dúvida razoável. Enfim, a expressão "é quase uma questão de dogma" deve ser entendida apenas como "é bastante plausível". Voltar
© American Scientist 1995 - É proibida a reprodução de qualquer parte deste texto sem a prévia autorização dos detentores do copirráite. Permissão para a presente versão concedida pela American Scientist, uma publicação da Sigma Xi, The Scientific Research Society. A quem agradecemos enormemente e, com igual ênfase, agradecemos também ao Professor Christian de Duve (Universidade Católica de Louvain, Woluwé-Saint-Lambert, Bélgica).
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