Origem da Vida: das moléculas ao LUCA

23/10/2009
Esquema de estudo do processo evolutivo
Origem da Vida:
das moléculas ao LUCA
• • • •
Com
plexi
dade
•
•
Objetos
estáveis e
abundantes
•
• • •
•
[agre
gação]
•
Intermediários
• •
Romeu Cardoso Guimarães
•
•
romeucg@icb.ufmg.br
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•
Sucessão [tempo]
Água líquida se forma na Terra
4,5 Ga (bilhões de anos atrás)
Após um período de intensa atividade vulcânica, a Terra se esfria (<100oC), e o
vapor d’água na atmosfera se condensa, formando a hidrosfera.
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), Microesferas
Proteinóides (Fox), Lipossomos (Luisi)
• O mundo do proto-tRNA (PNA)
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 de
hidrogênio (HCN), formaldeido (HCHO),
8-10 aminoácidos, bases nitrogenadas
(adenina = 5 HCN).
• Fox: polimerização de aminoácidos em
ciclos
de
aquecimento
aquoso
e
dessecação.
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):
Dissipação por ciclones
módulos, cadeias propulsivas e o hiperciclo integrado.
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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
CÓDIGO GENÉTICO
AUTO-REFERENTE
• 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 Dcarboidratos e dos RNA e DNA
c
Capture of
letters
(synthetas
e)
a
Population
s of
carriers
and letters
a
d
b
e
Protein
a
d
a
b
b
b
Fishing
of
carriers
Synthesis
of strings
(transferase
)
a
c
b
a
Strings
liberated
a
b
c
c
b
c
Elongatio
n of
strings
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Unstable
loops
Ribosome
Stable
loops
Poly-tRNA
mRNA
Mx
YR
Ho
RR
2b Phe [Leu]
1b Ser
3c Cys Trp X
4 Tyr X
2a Leu
1a Pro
3a Arg
3b His Gln
2b
1b
2a
1a
3b
3b Val
3a Ala
1a Gly
2a Asp Glu
4 Ile Met i
3c Thr
1b Ser [Arg]
2b Asn Lys
RY
Mx
4
3c
4
3a
3b
3a
3c
1a
2a
1b
2b
YY
Ho
Succession of entries
Self-referential
Hydropathy: non-correlated -> correlated
• Start without mRNA
• tRNAs are recruited in pairs (of palindromic type)
• tRNAs in a pair are codon / anticodon for each other
Principal dinucleotides:
Homogeneous (+RR:+YY) -> Mixed (+RY:+YR)
Higher -> lower GC contents
Synthetases: class II -> class I
Functional
• Intrinsic stability
First protein functions:
• RNA-binding
6 couples of the same class in the 8 pairs
Consistent with amino acid biosynthesis derivations
Protein conformations: aperiodic -> helices -> strands
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Stage 1
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
+GA Ser
+GG (Gly) Pro
+CC Gly
+CU Ser
Amino acids:
Stage 2
stabilizers, forming protein N-ends,
RNA-binders -> RNP system formed,
characteristic of aperiodic conformations.
Hydropathy correlation established.
Proteins structured, mRNAs formed.
Stage 3
Start the sector of Mixed principal dinucleotides.
+CA Cys
+AA Phe II2’
+GA Ser
+AG Leu I
+GG Pro
+AA Phe
+GA Ser
Trp
+UG His
+AG Leu
+GG Pro
+CG (Ala) Arg
Gln I
+CC Gly
+UC Asp
+AC Val I
+GC Ala
+CC Gly
+GU Thr
+CU Ser
+UC Asp
Glu
Glu I
+CU Ser
+UU Asn
+UU Asn
Lys
I
Lys II
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.
Stage 4
Tips of the sector of Mixed principal dinucleotides;
synthetases class I.
+AA Phe
Leu
Leu
+GA Ser
+AG Leu
+GG Pro
+CA Cys, Trp
X
X
+CG Arg
+GC Ala
+CC Gly
2b
1b
3c
4
+UG His
2a
1a
3a
3b
3b
3a
1a
2a
4
3c
1b
2b
+UC Asp
Glu
+AU Ile
+AU Ile, Met
fMet
fMet
CAU
Met
CAU
+GU Thr
(fMet + 1)
+CU Ser
Arg
Arg
Mx
YR
Ho
RR
+UA Tyr
+UAX Tyr
X
Gln
+AC Val
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.
+UU Asn
Lys
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.
RY
Mx
YY
Ho
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