experimentos de Stanley Miller e sua relação com a síntese pré-biótica

Isso vai ficar extenso mas ao mesmo tempo básico,para relacionar coloquei de forma breve a hipotése "o mundo de RNA";Uma das bases do estudo de Miller e Urey,provém da busca de uma comprovação de ideias de anos antes, nas propostas independentes de Aleksandr Ivanovich Oparin e John Burdon Sanderson Haldane. 

O fato de todas as macromoléculas biológicas serem construí­das com as mesmas trés dúzias de subunidades torna provável que todos os organismos vivos descendam de uma única linha­gem celular primordial, cuja química fundamental seria reco­nhecida até mesmo hoje. Além disso, esses compostos orgânicos primordiais devem ter sido adaptativamente selecionados de forma que sistemas celulares foram refinados para desempenhar as transformações energéticas e de auto-replicação, que são ca­racterísticas das células vivas.

As primeiras biomoléculas apareceram por evolução química. Agora chegamos a um problema do tipo quebra-cabeças: além da sua presença nos organismos vivos, os compostos orgânicos, incluindo as biomoléculas básicas, ocorrem apenas em pequeníssimas quantidades na crosta terrestre, isto é, nos continentes, nos mares e na atmosfera. Como foi possível aos primeiros or­ganismos vivos adquirirem seus componentes orgânicos bási­cos? Em 1922, o bioquímico Alexander I. Oparin propôs a teo­ria da origem precoce da vida na história da Terra, postulando que a atmosfera foi, naquele tempo, muito diferente da que existe hoje. Rica em metano, amônia, água e essencialmente destituída de oxigênio, ela era uma atmosfera redutora, muito diferente do ambiente oxidante dos tempos atuais. Na teoria de Oparin, a energia elétrica das descargas dos relâmpagos, ou a energia calorífica dos vulcões, fez com que a amônia, o metano, o vapor d’água e outros componentes da atmosfera primitiva reagissem formando compostos orgânicos simples. Esses compostos se dis­solveram então nos mares antigos, os quais, ao longo de muitos milênios, tornaram-se enriquecidos com uma grande variedade de compostos orgânicos simples. Nessa solução quente (“sopa pré-biótica” ou “ sopa primordial” ), algumas moléculas orgâni­cas tiveram tendência maior que outras para se associarem em grandes compostos, os quais, por milhões de anos de evolução, por sua vez, associaram-se a membranas e catalisadores (enzi­mas), os quais vieram juntar-se uns aos outros para tomarem- se precursores das células primitivas. Por muitos anos, as opi­niões de Oparin permaneceram como especulações não testa­das e impossíveis de assim o serem, até que um experimento surpreendente foi realizado usando equipamento simples.A evolução química pode ser simulada no laboratório Um experimento clássico sobre a origem abiótica (não-biológica) das biomoléculas foi desenvolvido, em 1953, por Stanley Miller no laboratório de Harold Urey. Miller submeteu mistu­ras gasosas de N H 3, CH.,, vapor d’água e H 2 a centelhas elétricas produzidas a partir de um par de elétrodos (simulação de re­lâmpagos) por períodos de uma semana ou mais, e então analisou o conteúdo do frasco de reação. A fase gasosa da mistura resultante continha CO e C 0 2, bem como os compos­tos químicos iniciais. A fase aquosa continha uma variedade de compostos orgânicos que incluáam alguns aminoácidos, hidroxiácidos, aldeídos, álcoois e ácido cianídrico (H C N ). Esse expe­rimento estabeleceu a possibilidade da produção abiótica de biomoléculas em tempos relativamente curtos e em condições re­lativamente suaves. Elétrodos Mistura dc  NHV CH4,  H; e H20  a 80*0Aparelho de descargas elétricas empregado por Miller e Urey em experiências que demonstram a formação abiótica de compos­tos orgânicos, sob as possíveis condições atmosféricas da Terra primitiva. Depois de submeter o conteúdo do sistema gasoso contido no aparelho a descargas elétricas, os produtos foram separados por condensação. Algumas biomoléculas, aminoácidos por exemplo, estavam entre esses produtos. Vários melhoramentos permitiram repetir os experimen­tos de Miller e Urey de forma mais refinada, o que tem produ­zido evidências muito fortes de que uma larga variedade de biomoléculas, incluindo proteínas e ácidos nucléicos, podem ter sido produzidas espontaneamente a partir de materiais que estavam, provavelmente, presentes na Terra no tempo em que a vida apareceu. Continuações recentes dos experimentos de Miller empre­garam “atmosferas” que incluem C 0 2 e HCN e tecnologias me­lhoradas de identificação de diminutas quantidades de produ­tos. Assim, a formação de centenas de compostos orgânicos pode ser demonstrada. Esses compostos incluem os ami­noácidos comuns, uma grande variedade de ácidos mono, di e tricarboxílicos, ácidos graxos, adenina e formaldeído. Em cer­tas condições, o formaldeído polimeriza-se para formar açúca­res que contém três, quatro, cinco ou seis átomos de carbono. Em adição aos muitos monómeros que se formam nesses expe­rimentos, aparecem também polímeros de nucleotideos (áci­dos nucléicos) e aminoácidos (proteínas). Alguns dos produtos de autocondensaçào do ácido cianídrico também são promoto­res efetivos dessas reações de polimerização, e várias espécies iônicas presentes na superfície da Terra (Cu2+, N ii+, Zn2+) tam­bém aumentam a velocidade de polimerização. As fontes efeti­vas de energia para a formação desses compostos incluem calor, luz visível e ultravioleta, raios X, radiação gama, ultra-som e ondas de choque mecânico, além de bombardeamento com par­tículas alfa e beta.Sucintamente, experimentos laboratoriais sobre a formação espontânea de biomoléculas em condições pré-bióticas fornece­ram boa evidência de que muitos componentes químicos das células vivas, incluindo polipeptídeos e RNA, podem-se formar nessas condições. Pequenos polímeros de RNA podem agir como catalisadores em reações biologicamente significativa, e é razoável que o RNA tenha desempenhado um papel crucial na evolução pré-biótica, tanto como catalisador, como repositório de informação. Se a vida na Terra progrediu através desse processo de evo­lução química, é provável que vida tenha surgido também em planetas de outros sistemas solares. Muitos compostos pré-bi- óticos, tais como H CN , ácido fórmico, cianoacetileno, foram encontrados em cometas, nas atmosferas de Júpiter, Saturno e Titã (a lua de Saturno) e na poeira cósmica do espaço interestelar. Análises do meteorito Murchison, que caiu na Terra em 1969, revelou a presença de aminoácidos, hidroxiácidos, puri­nas e pirimidinas. É concebível, portanto, que os precursores orgânicos, para a evolução da vida na Terra, originaram-se de algum lugar do sistema solar. Alguns dos produtos formados em condições pré-bióticas Áddos carboxilicos Bases dos ácidos nucléicos Aminoácidos Açúcares Acido fórmico Adenina Glicina Pentoses e hexoses lineares e ramificadas Acido acético Guanina Alanina Acido propiônico Xantina Ácido cx-aminobutírico Ácidos graxos (C<— Cio) lineares e ramificados Hipoxantina Vali na Acido glicólico Citosina Leucina Acido láctico Uracina Isoleucina Acido succfnico Prolina Acido aspártico  Ácido glutâmico  Serina  Treonina Fonte.

Retirado de Miller SL. (1987) Which orgame compounds could have occurred on the prebiotie earth? Cold Spring Harb. Symp. Quant Biol. 52. 17-27.   

As moléculas de RNA podem ter sido os primeiros genes e catalisadores. Nos organismos atuais, os ácidos nucléicos codificam a infor­mação genética que especifica a estrutura das enzimas, e as enzi­mas têm a capacidade de catalisar a replicação e a reparação dos ácidos nucléicos. A dependência mútua dessas duas classes de biomoléculas coloca a questão: o que veio primeiro, o DNA ou a proteína? A resposta pode ser: nenhum dos dois. A descoberta de que as moléculas de RNA podem agir como catalisadoras em sua própria formação sugere que o RNA pode ter sido o primeiro gene e o primeiro catalisador. De acordo com esse cenário, um dos primeiros estágios da evolução biológica foi a formação por acaso, na sopa primordial, de uma molécula de RNA que tinha a capacidade de catalisar a formação de outras moléculas de RNA com a mesma seqüência — um RNA auto- duplicador e autoperpetuador. A concentração de uma molé­cula de RNA automultiplicadora deveria aumentar exponencialmente, pois uma molécula formaria duas, duas formariam quatro, e assim sucessivamente. A fidelidade dessa auto-replicaçào era, presumivelmente, tão perfeita, que o processo gera­ria muitas variantes de RNA, algumas das quais poderiam ser auto-replicadoras ainda melhores. Na competição pelos nucleotídeos, venceriam as seqüências mais eficientes em autoduplicar-se, e os autoduplicadores menos eficientes desapareceriam da população.Formação da sopa pré-biótica, incluindo os nucleotideos a partir da atmosfera primitiva da Terra. Produção de pequenas moléculas de RNA com sequências ao acaso  Reprodução seletiva de segmentos catalíticos e auto-reprodutores de RNA Síntese catalisada por RNA de peptídeos específicos Participação crescente dos peptídeos na reprodução do RNA; coevoluçâo de RNA e proteínas Desenvolve-se o sistema primitivo de tradução, com genoma de RNA e catálise por RNA-proteína  O RNA genômico passa a ser copiado em DNA O genoma de DNA é traduzido em um complexo   RNA-proteina (ribossomo) com catalisadores protéicosDescrição de uma das possibilidades para o desenrolar do "drama da vida" segundo a hipótese do "mundo do RNA" e a transição deste (sombreado em amarelo) para o "mundo do DNA" (em alaranjado). A divisão de funções entre DNA (armazenamento da infor­mação genética) e proteínas (catálise) foi, de acordo com a hipóte­se do “mundo do RNA”, um desenvolvimento posterior. Variantes novas e moléculas de RNA autoduplicadoras desenvolveram-se com a capacidade adicional de catalisar a condensação de aminoácidos em peptídeos. Ocasionalmente, o peptídeo (ou peptídeos), assim formado, reforçaria a capacidade autoduplicadora do RNA, e o par— molécula de RNA e peptídeo ajudante— pôde sofrer modifica­ções posteriores, gerando sistemas replicadores ainda mais eficien­tes. Algum tempo depois da evolução desse sistema primitivo de síntese de proteína, ocorreu um desenvolvimento posterior: as mo­léculas de DNA com seqüências complementares ao RNA auto- replicador tomaram para si a função de conservar a informação genética e as moléculas do RNA evoluíram para desempenhar pa­péis na biossíntese de proteínas. As proteínas provaram ser catali­sadores muito versáteis e com o tempo assumiram essa função.  Compostos semelhantes a lipídios, na sopa primordial, formaram camadas relativamente impermeáveis que envolviam coleções de moléculas autoduplicadoras. A concentração de proteínas e ácidos nucléicos no interior desses envelopes lipídicos favoreceu as inte­ rações moleculares necessárias na autoduplicação.Essa hipótese do “mundo do RNA” é plausível, mas de nenhu­ma forma universalmente aceita. Essa hipótese faz previsões que são verificáveis, e ela será testada e refinada na medida em que os testes experimentais se tomarem passíveis de ser realizados dentro de tempos relativamente curtos, quer dizer, tempos menores ou, pelo menos, iguais ao tempo de expectativa de vida de um cientista. A evolução biológica começou há mais de três e meio bilhões de anos, junto com o Sol e os demais planetas do nosso sistema, a Terra formou-se cerca de quatro e meio bilhões de anos atrás, e a pri­meira evidência definitiva de vida data de três e meio bilhões de anos atrás. Um grupo internacional de cientistas mostrou, em 1980, que certas formações rochosas muito antigas (estromatólitos;), que ocorrem na Austrália Ocidental, contêm fósseis de microrganismos primitivos. Em 1996, cientistas que trabalhavam na Groenlândia encontraram evidências químicas (não fósseis) da existência de vida há cerca de 4 bilhões de anos, formas de carbono incrustadas em rocha que aparentam ter uma origem biológica distinta. Em algum lugar da Terra, durante o primeiro período de um bilhão de anos, nasceu o primeiro or­ganismo simples, capaz de reproduzir a sua própria estrutura a partir de um molde (RNA?) que foi o primeiro material genéti­co. Devido à atmosfera terrestre, na aurora da vida, ser despro­vida de oxigênio e já que havia poucos microrganismos para consumir os compostos orgânicos formados por processos na­turais, esses compostos eram relativamente estáveis. Dados essa estabilidade e períodos de tempo muitíssimo longos, o impro­vável tornou-se inevitável: os compostos orgânicos foram in­corporados em células para produzir mais e mais catalisadores efetivamente capazes de se auto-reproduzir. Assim começou o processo da evolução biológica. Os organismos desenvolveram mecanismos para atrelar a energia do Sol, por meio da fotossíntese, aos processos de síntese de açúcares e outras moléculas or­gânicas a partir do C 0 2 e converter o nitrogênio molecular da atmosfera em moléculas nitrogenadas, como os aminoácidos.  Desenvolvendo suas próprias capacidades para a síntese de bio­moléculas, as células tornaram-se independentes dos processos casuais pelos quais esses compostos primeiro apareceram na face da Terra. À medida que a evolução prosseguia, os organismos começaram a interagir e a tirar benefícios mútuos, formando sistemas ecológicos cada vez mais complexos.Recifes muito antigos da costa australiana contêm a evidência fóssil da vida microbiana nos mares de 3,5 bilhões de anos atrás. A continua retenção de grânulos de areia e calcário pelo revestimento extracelular pegajoso de cianobactérias construiu, paulatinamente, esses estromatólitos encontrados em Hamolin Bay. na Austrália Ocidental. O exame microscópico de secções finas dos estromatólitos revela microfósseis de bactérias filamentosas.  

Verifique o trabalho de 1970, do biólogo Sidney Fox.

Em 1953, para verificar a relevância dessa teoria, imagine um experimento de  Miller Stanley físico. O aparelho é preenchido com uma atmosfera de metano, amônia e hidrogênio. Um balão de água simula um oceano primitivo (a água é aquecida por uma resistência, o que contribui para o enriquecimento da atmosfera com o vapor de água).
Dois eletrodos, que são usados para produzir relâmpagos, fornecer energia ao sistema. Após uma semana de operação, vários compostos orgânicos, incluindo aminoácidos 2% do rush primitiva para a parte inferior do balão. Aminoácidos são a base de todos os elos da cadeia de proteínas que existem na Terra. Estes resultados foram confirmados mais tarde por outras experiências mas, entretanto, o conceito de sopa originária da vida, um grande sucesso. Quase que imediatamente a quantidade de condições críticas do experimento. Miller e Urey usou uma atmosfera redutora rico em hidrogênio (CH4, NH3, H2, H2O) e não uma atmosfera oxidante. A atmosfera primitiva, em vez preferem um ambiente não-redução, composta principalmente de CO2, ou a experiência de Stanley Miller não funciona neste tipo de atmosfera. Sob atmosfera redutora (dióxido de carbono CO2, N2, H2O) que vem vulcânica dá rendimentos muito pobre. Mas o experimento de Miller é um passo interessante na evolução gradual em direção à complexidade. 
Ele colocou na frente do palco, a química orgânica na água e tem um grande número de experimentos tem explorado essa veia. Hoje, muitos modelos são criados para resolver o problema do aparecimento de moléculas orgânicas. Os cientistas são capazes de produzir muitas pequenas moléculas orgânicas (aminoácidos, açúcares, bases nucléicos) em pré-biótica condições em laboratórios. Miller experimentos e modelos derivados fornecer nenhuma explicação sobre os passos que conduzem finalmente para as células vivas.