aula4_RNAworld

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O	
  MUNDO	
  RNA
ORIGEM DA VIDA E DIVERSIDADE DOS SERES VIVOS
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
Profa. Beatriz Stransky
2
DOGMA CENTRAL DA BIOLOGIA
3
SÍNTESE PROTÉICA
4
Quem	
  veio	
  primeiro	
  Proteína,	
  DNA	
  ou	
  RNA	
  ?
O	
  que	
  veio	
  primeiro:	
  o	
  replicador	
  (DNA	
  ou	
  RNA)	
  
ou	
  metabolismo	
  enzimá?co	
  (proteínas)?
Toda	
  enzima	
  Toda	
  enzima	
  éé	
  uma	
  prote	
  uma	
  proteíína	
  (atna	
  (atéé	
  	
  inicio	
  da	
  inicio	
  da	
  ddéécada	
  de	
  80cada	
  de	
  80))��
““Nem	
  toda	
  proteNem	
  toda	
  proteíína	
  na	
  éé	
  uma	
  enzima	
  mas	
  toda	
  enzima	
  uma	
  enzima	
  mas	
  toda	
  enzima	
  	
  éé	
  uma	
  prote	
  uma	
  proteíína	
  ...na	
  ...””
Toda	
  regra	
  tem	
  uma	
  exceToda	
  regra	
  tem	
  uma	
  exceççãão	
  !o	
  !
5
Joyce, G.F. (2002) Nature 418, 214-221.
A	
  hipótese	
  do	
  ‘RNA	
  World’
6
O	
  MUNDO	
  RNA
 Hipótese	
  de	
  que	
  os	
  primeiros	
  genes	
  eram	
  fitas	
  curtas	
  de	
  RNA.
 Pequenas	
  moléculas	
  de	
  RNA	
  podem	
  ser	
  formadas	
  abio?camente,	
  pela
polimerização	
  de	
  nucleoQdeos	
  livres.
 RNAs	
  podem	
  se	
  auto-­‐replicar.
 RNAs	
  podem	
  se	
  configurar	
  em	
  estruturas	
  3D	
  que	
  agem	
  como	
  enzimas.
 Em	
  1981	
  Thomas	
  Cech	
  descobriu	
  que	
  RNAs	
  eram	
  catalizadores
importantes	
  nas	
  células	
  modernas.	
  Estas	
  moléculas	
  foram	
  denominadas
RIBOZIMAS.
 No	
  mundo	
  pré-­‐bió?co,	
  RNAs	
  poderiam	
  ter	
  sido	
  totalmente	
  capazes	
  de
replicação	
  catalizada	
  por	
  ribozimas.
7
8
 Ribozimas	
  também	
  ajudam	
  a	
  catalizar	
  a	
  síntese	
  de	
  novos	
  polímeros	
  de	
  RNA
(RNAt,	
  RNAm	
  e	
  RNAr).
 Experimentos	
  têm	
  demonstrado	
  que	
  sequências	
  de	
  RNA	
  podem	
  evoluir	
  em
condições	
  abió?cas.
 RNAs	
  apresentam	
  tanto	
  o	
  genó?po	
  (sequências	
  de	
  nucleoQdeos)	
  quanto	
  o
fenó?po	
  (conformação	
  3D).
 Em	
  determinadas	
  condições,	
  algumas	
  sequências	
  de	
  RNA	
  são	
  mais	
  estáveis
e	
  se	
  replicam	
  mais	
  rapidamente	
  e	
  com	
  menos	
  erros	
  do	
  que	
  outras
sequências.
 Ocasionalmente,	
  erros	
  de	
  cópias	
  criam	
  mutações	
  e	
  a	
  evolução	
  seleciona	
  as
moléculas	
  mais	
  estáveis	
  ou	
  melhores	
  replicadoras.
9
10
 A	
  síntese	
  protéica	
  dirigida	
  por	
  RNA	
  deve	
  ter	
  surgido	
  como	
  uma	
  ligação	
  fraca
de	
  aa	
  específicos	
  às	
  bases	
  dos	
  RNAs,	
  que	
  funcionavam	
  como	
  moldes,
segurando	
  alguns	
  poucos	
  aa	
  o	
  tempo	
  suficiente	
  para	
  serem	
  unidos.
 Esta	
  é	
  uma	
  das	
  funções	
  atuais	
  do	
  RNAr	
  nos	
  ribossomos.
 RNAs	
  podem	
  ter	
  sido	
  capazes	
  de	
  sinte?zar	
  pequenos	
  polipeptídeos	
  que	
  se
comportava	
  como	
  uma	
  enzima,	
  auxiliando	
  a	
  replicação	
  do	
  RNA.
 As	
  primeiras	
  células	
  devem	
  ter	
  sido	
  precedidas	
  por	
  PROTOBIONTES:
agregados	
  de	
  moléculas	
  produzidas	
  abio?camente,	
  capazes	
  de	
  isolar	
  um
ambiente	
  interno	
  do	
  externo	
  e	
  que	
  apresentavam	
  propriedades
semelhantes	
  às	
  celulares.
11
EVIDÊNCIAS
 Em	
  laboratório,	
  LIPOSSOMOS	
  -­‐	
  gotas	
  de	
  compostos	
  orgânicos
produzidos	
  abio?camente,	
  podem	
  ser	
  formados	
  quando	
  lipídeos	
  são
misturados	
  à	
  proteinóides	
  e	
  fosfatos.
 Os	
  lipídeos	
  formam	
  uma	
  bicamada	
  na	
  supergcie	
  da	
  gota,	
  de	
  forma
similar	
  à	
  bicamada	
  lipídica	
  da	
  membrana	
  celular.
 Estas	
  gotas	
  podem	
  se	
  expandir	
  ou	
  contrair	
  sob	
  diferentes	
  condições
salinas.
 Elas	
  também	
  armazenam	
  energia	
  como	
  potencial	
  de	
  membrana,	
  uma
voltagem	
  através	
  das	
  supergcie.
 Lipossomos	
  comportam-­‐se	
  dinamicamente,	
  crescendo	
  por	
  absorção
de	
  lipossomos	
  menores,	
  ou	
  se	
  dividindo	
  em	
  lipossomos	
  menores.
12
13
Protobiontes	
  não	
  se	
  reproduzem	
  de	
  forma	
  precisa,	
  mas	
  eles
mantêm	
  um	
  ambiente	
  químico	
  interno	
  diferente	
  de	
  seu
meio-­‐ambiente	
  e	
  pode	
  apresentar	
  algumas	
  propriedades
associadas	
  à	
  vida:
Potencial	
  osmó.co,	
  potencial	
  de	
  membrana	
  e	
  propriedades
catalí.cas.
14
Protobiontes
15
HIPÓTESE
 Se	
  enzimas	
  são	
  incluídas	
  entre	
  os	
  ingredientes	
  para	
  formar	
  protobiontes,
então	
  estes	
  são	
  capazes	
  de	
  absorver	
  substrados	
  do	
  meio-­‐ambiente	
  e
liberar	
  produtos	
  derivados	
  de	
  reções	
  enzimá?cas.
 Os	
  probiontes	
  formados	
  nesta	
  sopa	
  orgânica	
  poderiam	
  não	
  ter
mecanismos	
  enzimá?cos	
  muito	
  precisos,	
  entretanto:
 Algumas	
  moléculas	
  produzidas	
  abio?camente	
  realmente	
  apresentam
a?vidade	
  catalí?ca;
 Pode	
  ter	
  havido	
  probiontes	
  que	
  apresentavam	
  um	
  metabolismo	
  rudimentar,
permi?ndo	
  a	
  modificação	
  de	
  substâncias	
  que	
  eram	
  absorvidas	
  pelas
membranas.
16
17
A	
  SELEÇÃO	
  NATURAL	
  deveria	
  agir	
  sobre	
  protobiontes	
  mais
bem	
  adaptados	
  à	
  seu	
  meio-­‐ambiente,	
  mas	
  sem	
  um
mecanismo	
  exato	
  de	
  replicação,	
  não	
  exis?a	
  nenhuma
forma	
  de	
  perpetuar	
  os	
  protobiontes	
  de	
  sucesso!
18
A	
  seleção	
  natural	
  pode	
  selecionar
protobiontes	
  com	
  informação	
  hereditária
 Uma	
  vez	
  que	
  genes	
  primi?vos	
  de	
  RNA	
  e	
  seus	
  produtos
protéicos	
  eram	
  envoltos	
  por	
  uma	
  membrana,	
  os
protobiontes	
  podem	
  ter	
  evoluído	
  como	
  unidades.
 A	
  cooperação	
  molecular	
  deve	
  ter	
  aumentado	
  porque
possíveis	
  reagentes	
  eram	
  man?dos	
  próximos	
  e	
  em	
  maior
concentração,	
  em	
  vez	
  de	
  espalhados	
  pelo	
  ambiente.
19
20
 Suponha	
  que	
  um	
  RNA	
  sinte?ze	
  uma	
  	
  enzima	
  primi?va	
  que	
  extrai	
  energia
de	
  compostos	
  sulfurosos	
  absorvidos	
  do	
  meio-­‐ambiente.
 Esta	
  energia	
  poderia	
  ser	
  usada	
  em	
  outras	
  reações	
  internas,	
  incluindo	
  a
replicação	
  do	
  RNA.
 A	
  seleção	
  natural	
  poderia	
  favorecer	
  tal	
  gene,	
  mas	
  somente	
  se	
  seus	
  produtos
fossem	
  man?dos	
  internamente,	
  ao	
  invés	
  de	
  serem	
  compar?lhados	
  com	
  RNAs
‘compe?dores’	
  no	
  meio-­‐ambiente.
 Os	
  protobiontes	
  mais	
  adaptados	
  iriam	
  crescer	
  e	
  se	
  mul?plicar,
distribuindo	
  cópias	
  de	
  seus	
  genes	
  à	
  gerações	
  posteriores.
 Mesmo	
  se	
  somente	
  um	
  protobionte	
  destes	
  surgisse	
  inicialmente,	
  seus
descendentes	
  iriam	
  se	
  diversificar,	
  devido	
  à	
  mutações	
  -­‐	
  erros	
  na	
  cópia	
  do
RNA,	
  dando	
  início	
  à	
  diversidade	
  da	
  vida.
21
22
Sequência	
  Evolu?va
 Os	
  primeiros	
  organismos	
  eram	
  semelhantes	
  à	
  PROCARIOTOS,	
  originados	
  há
3.5	
  -­‐	
  3.9	
  BA.
 Provavelmente	
  QUIMIOHETEROTRÓFICOS. Consumiam	
  moléculas	
  orgânicas	
  para	
  obtenção	
  de	
  energia	
  e	
  carbono.
 Consumiam	
  ATPs	
  formados	
  abio?camente.
 Primeira	
  Crise	
  -­‐	
  Perda	
  de	
  ATPs	
  formados	
  abioEcamente
 Como	
  os	
  ATPs	
  estavam	
  se	
  ex?nguindo	
  no	
  meio-­‐ambiente,	
  a	
  seleção	
  natural
favoreceu	
  os	
  primeiros	
  procariotos	
  capazes	
  de	
  regenerar	
  ATP	
  a	
  par?r	
  de	
  ADP,
usando	
  energia	
  extraída	
  de	
  compostos	
  orgânicos.
23
 Resultado:	
  evolução	
  para	
  GLICÓLISE.
 Processo	
  de	
  10	
  etapas,	
  catalizado	
  por	
  10	
  enzimas.
 Produz	
  energia	
  (ATP),	
  carregadores	
  de	
  energia	
  (NADH)	
  e	
  piruvato.
 Na	
  presença	
  de	
  O2,	
  o	
  piruvato	
  entra	
  na	
  mitocôndria	
  e	
  é	
  completamente
oxidado	
  a	
  CO2	
  no	
  Ciclo	
  de	
  Krebs.
 Na	
  ausência	
  de	
  O2,	
  o	
  piruvato	
  entra	
  em	
  fermentação.
 É	
  conservada	
  em	
  todos	
  os	
  organismos.
24Glicólise	
  -­‐	
  produção	
  de	
  ATP,	
  NADH	
  e	
  piruvato.
25
 Segunda	
  Crise:	
  perda	
  de	
  compostos	
  orgânicos	
  formados
abioEcamente	
  e	
  uElizados	
  na	
  glicólise.
 Como	
  também	
  os	
  compostos	
  orgânicos	
  estavam	
  sendo
depletados	
  no	
  meio-­‐ambiente,	
  a	
  seleção	
  natural	
  favoreceu
os	
  primeiros	
  procariotos	
  capazes	
  de	
  produzir	
  seus	
  próprios
compostos	
  orgânicos	
  a	
  par?r	
  de	
  precursores	
  inorgânicos.
 Resultado:	
  evolução	
  dos	
  seres	
  AUTÓTROFOS.
26
 Os	
  primeiros	
  autótrofos	
  provavelmente	
  u?lizavam	
  luz	
  para
captar	
  elétrons	
  do	
  H2S	
  e	
  fixar	
  CO2	
  em	
  açúcares	
  -­‐
FOTOAUTÓTROFOS.
 Evoluiram	
  há	
  2.5	
  -­‐	
  3.5	
  BA.
 Fontes	
  de	
  sulfa	
  eram	
  abundantes,	
  devido	
  à	
  a?vidade	
  vulcânica	
  e	
  de
respiradouros	
  oceânicos.
 Similares	
  à	
  bactérias	
  sulgdricas	
  atuais.
 Nenhum	
  O2	
  é	
  produzido	
  neste	
  sistema.
27Estromatólito formado por sedimentos hidrotermais
28
 CIANOBACTÉRIAS	
  -­‐	
  primeiros	
  fotoautótrofos	
  que	
  u?lizavam	
  luz
para	
  captar	
  elétrons	
  da	
  H2O	
  e	
  fixar	
  CO2	
  em	
  açúcares.
 Evoluiram	
  há	
  2.5	
  BA.
 U?lizavam	
  a	
  H2O	
  disponível.
 Liberavam	
  O2	
  no	
  meio-­‐ambiente	
  e	
  modificaram	
  drama?camente	
  a
atmosfera.
 Evoluiram	
  de	
  procariotos	
  que	
  agiam	
  como	
  cloroplastos.
 O2	
  atmosférico	
  causou	
  a	
  ex?nção	
  de	
  vários	
  organismos	
  anaeróbicos.
29Cianobactérias
30
Depósio	
  de	
  ferro	
  em	
  camadas	
  -­‐	
  evidência	
  de	
  a?vidade	
  de	
  fotossíntese
dependente	
  de	
  oxigênio	
  ocorrida	
  à	
  2BA.
31
 Terceira	
  Crise:	
  acumulação	
  de	
  O2	
  atmosférico	
  causa	
  a
morte	
  de	
  muitos	
  organismos
 Como	
  o	
  O2	
  acumulava	
  e	
  matava	
  muitos	
  organismos
anaeróbicos,	
  a	
  seleção	
  natural	
  favoreceu	
  os	
  primeiros
procariotos	
  capazes	
  de	
  tolerar	
  o	
  O2,	
  usando	
  esta
caracterís?ca	
  em	
  sua	
  vantagem.
 Resultado:	
  evolução	
  da	
  respiração	
  aeróbica.
 Evolução	
  de	
  procariotos	
  que	
  pareciam	
  mitocôndrias.
32
 Há	
  2.0	
  -­‐	
  2.5	
  bilhões	
  de	
  anos,	
  havia	
  uma	
  grande
diversidade	
  de	
  procariotos	
  na	
  Terra.
 Heterótrofos	
  e	
  autótrofos	
  anaeróbicos.
 Heterótrofos	
  e	
  autótrofos	
  aeróbicos.
 Iniciando	
  há	
  3.5	
  -­‐	
  3.9	
  bilhões	
  de	
  anos,	
  quando	
  a	
  primeira
vida	
  surgiu,	
  até	
  2.1	
  bilhões	
  de	
  anos	
  atrás,	
  toda	
  a	
  vida	
  na
Terra	
  era	
  procarió?ca,	
  unicelular	
  e	
  aquá?ca.
33
34
Bibliografia
 Savada	
  et	
  al.	
  Vida,	
  a	
  Ciência	
  da	
  Biologia.	
  Artmed	
  Editora,	
  8ª	
  ed.,	
  2009.
 Damiteli,	
  A.	
  &	
  Damiteli,	
  D.S.C.	
  Origens	
  da	
  Vida.	
  Estudos	
  Avançados,
21(59):	
  263-­‐284,	
  2007