23/10/2009
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Origem da Vida:
das moléculas ao LUCA
Romeu Cardoso Guimarães
Esquema de estudo do processo evolutivo
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Sucessão [tempo]
Com
plexi
dade
[agre
gação]
Objetos
estáveis e
abundantes
Intermediários
Após um período de intensa atividade vulcânica, a Terra se esfria (<100oC), e ovapor d’água na atmosfera se condensa, formando a hidrosfera.
Água líquida se forma na Terra4,5 Ga (bilhões de anos atrás)
Evolução química pré-biótica 4,5 - 3,8 Ga
• Síntese de monômeros, terrestre e meteoritos
• Experimento de Miller (1953, atmosfera) + ventas submarinas quentes
• Oligomerização de monômeros sobre superfícies de cristais em argilas
• Coacervados (Oparin), MicroesferasProteinóides (Fox), Lipossomos (Luisi)
• O mundo do proto-tRNA (PNA)
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Síntese de fios oligoméricos (1D) sobre superfícies (2D) de cristais
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Proto-Geometabolismo na atmo-hidrosfera primitiva
• Sem O2 (anaerobiose, quimiotrofia)
• Miller e outros; descargas elétricas, UV,calor...; N (amônia...), C (metano...),redutor (H2...), vapor de água.
• Produtos (dentre outros): cianeto dehidrogênio (HCN), formaldeido (HCHO),8-10 aminoácidos, bases nitrogenadas(adenina = 5 HCN).
• Fox: polimerização de aminoácidos emciclos de aquecimento aquoso edessecação.
O que é vida
• Uma parte do processo evolutivo.
• A dinâmica apresentada pelos seres vivos.
O que é o ser vivo• Um sistema metabólico-mnemônico (célula).
• Metabolismo é a dinâmica vital: transformar insumos externos nos constituintes internos (auto-construção).
• Memórias permitem manutenção da identidade.
Rede metabólica (~ 500 componentes):
módulos, cadeias propulsivas e o hiperciclo integrado.
Dissipação por ciclones
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O quanto das ribozimas seria prébiótico?
LUCA (last universal common ancestor) Última população ancestral universal comum
• Formação do código genético síntese de proteínas poliméricas SISTEMA RNP
Proteínas propiciam (permitem) a formação de PNA longos
• Envoltório (compartimentação): pode ter sido só protéico, que organizou lipídeos em seu entorno
• Geração de diversidade protéica; substituição do proto-metabolismo pelo metabolismo
• Síntese enzimática (20 L-aminoácidos) dos D-carboidratos e dos RNA e DNA
CÓDIGO GENÉTICO
AUTO-REFERENTE
Population
s of
carriers
and letters
Capture of
letters
(synthetas
e)
Fishing
of
carriers
Synthesis
of strings
(transferase
)
Strings
liberated
Elongatio
n of
strings
aa
b
b
c
a
b
c
ba
cba
a
b
c
d
e
Protein
c b ad
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Poly-tRNA
mRNA
Unstable
loops
Stable
loops
Ribosome
1b Ser
1b Ser [Arg]
3b Val
3b His Gln
3a Ala
3a Arg1a Pro
1a Gly
2a Leu
2a Asp Glu
3c Cys Trp X
3c Thr
2b Phe [Leu]
2b Asn Lys4 Ile Met i
4 Tyr X
Ho
RR
Mx
YR
RY
Mx
YY
Ho
1b2b
3b
4 1b 2b
3b
4
1a
1a
2a
2a
3a
3a
3c
3c
Self-referential
• Start without mRNA
• tRNAs are recruited in pairs (of palindromic type)
• tRNAs in a pair are codon / anticodon for each other
Functional
First protein functions: • Intrinsic stability
• RNA-binding
Succession of entries
Hydropathy: non-correlated -> correlated
Homogeneous (+RR:+YY) -> Mixed (+RY:+YR)
Higher -> lower GC contents
Principal dinucleotides:
Synthetases: class II -> class I
6 couples of the same class in the 8 pairs
Protein conformations: aperiodic -> helices -> strands
Consistent with amino acid biosynthesis derivations
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Stage 1
Amino acids: stabilizers, forming protein N-ends,
RNA-binders -> RNP system formed,
characteristic of aperiodic conformations.
+GG (Gly) Pro
+CC Gly
+CU Ser
+GA Ser
Synthetases class II, no hydropathy correlation. DA Sinclair, IW Dawes 1995 Genetics of the synthesis of serine from glycine and the utilization of glycine as sole nitrogen source
by Saccharomyces cerevisiae. Genetics 140: 1213-1222
Stage 2
One synthetase class I couple + the atypical Lys / Phe couple.
Non-specific punctuation: Lys, Phe and Leu, destabilizers, added as protein tails.
Aperiodic conformations completed, 3/8 of helix-, 1/7 of strand-forming amino acids.
+GG Pro
+CC Gly
+CU Ser
+GA Ser
Hydropathy correlation established.
Proteins structured, mRNAs formed.
+AG Leu I
+UC Asp
Glu I
+AA Phe II2’
+UU Asn
Lys III
Stage 3
Amino acids: DNA-binders; 7/8 of helix- and 5/7 of strand-forming.
One synthetase class I couple, two pairs of boxes with non-coherent aRS classes.
+GG Pro
+CC Gly
+CU Ser
+GA Ser
+AG Leu
+UC Asp
Glu
+AA Phe
+UU Asn
Lys
+CG (Ala) Arg
+GC Ala
Start the sector of Mixed principal dinucleotides.
+AC Val I
+UG His
Gln I
+GU Thr
+CA Cys
Trp
Stage 4 Tips of the sector of Mixed principal dinucleotides;
synthetases class I.
Specific punctuation: initiation system (slipped principal dinucleotide) fished
the X tRNAs which were deleted.
Hexacodonic expansion of Arg and Leu (class I), due to codon usage.
+UG His
Gln
+GG Pro
+CC Gly
+CU Ser
+GA Ser
+AG Leu
+UC Asp
Glu
+AA Phe
+UU Asn
Lys
+CG Arg
+GC Ala+AC Val
+CA Cys, Trp
+GU Thr
+UA Tyr
+AU Ile, Met
X X
fMet CAU (fMet + 1)
X X
fMet
Leu
ArgArg
Leu+UA Tyr
+AU Ile
Met CAU
1b
1b
3b
3b
3a
3a1a
1a
2a
2a
3c
3c
2b
2b4
4
Ho
RR
Mx
YR
RY
Mx
YY
Ho