A estabilidade da citosina: Implicações para o mundo pré-biótico

Desde Oparin e Haldane, lá pelos primórdios da década de 1920, a comunidade científica não tem poupado esforços na busca por responder um dos maiores enigmas do Universo: a origem da vida.

De todas as hipóteses em voga atualmente, a que desperta maior interesse e detém o maior numero de adeptos é a hipótese do “mundo de RNA”, que defende que formas precursoras dos ácidos nucleicos (RNA e DNA) foram as primeiras formas biológicas auto-replicantes a surgirem na Terra. E por várias razões: os ácidos nucleicos são portadores de informação genética, fundamental para reger a estrutura e metabolismo das formas de vida, além da reprodução/replicação da mesma; o RNA é conhecido por exercer, algumas vezes, o papel da proteína como enzima, catalizando processos fundamentais para o organismo.

Para medir a viabilidade dessa hipótese, os estudiosos deveriam inquirir como cada um dos diversos componentes dos ácidos nucleicos (AN) poderia surgir em condições abióticas, e durarem o suficiente para que os mesmos pudessem passar por reações subsequentes, dando origem a unidades cada vez mais complexas, que ao longo do tempo, culminaria com formas de vida propriamente ditas. Um desses componentes é a citosina, base nitrogenada que aparece no RNA/DNA sempre em pares com a guanina (as bases sempre aparecem em pares, G+C e A+T).

Esquema da citosina

 

E foi o que os pesquisadores fizeram, colocaram a mão na massa e se puseram a testar rotas plausíveis para sua síntese na Terra primordial e sua posterior estabilidade. Os resultados, porém, não foram nada animadores…

 

 

 

 

 

Análise crítica de R. Shapiro

 

Ninguém melhor para expor a implicação dos resultados concernentes à citosina do que Robert Shapiro (1935-2004), um dos maiores nomes em termo de pesquisas sobre o mundo pré-biótico. Já no sumário de seu artigo 1 ele já relata detalhes desagradáveis para os teóricos:

Uma série de teorias propõem que o RNA ou alguma substância similar exerceram um papel [crucial] na origem da vida. Usualmente, ditas hipóteses presumem que as bases nitrogenadas encontravam-se prontamente disponíveis durante a era primordial da Terra para serem espontaneamente incorporadas a um replicador.

Todavia, não há menção de citosina em análises de meteoritos nem entre os produtos de experimentos envolvendo descargas elétricas (como o de Urey e Miller). A síntese pré-biótica da citosina divulgada envolve a reação de cianoacetileno (ou o produto de sua hidrólise, cianoacetaldeído) com cianato, cianogeno ou ureia. Essas substâncias sofrem reações colaterais com nucleófilos comuns que parecem ocorrer mais rapidamente do que a formação da própria citosina. Afim de favorecer a formação de C, requere-se concentrações de reagentes que são improváveis em circunstâncias naturais. […] Nenhuma reação até o momento foi descrita como capaz de produzir citosina, mesmo em condições locais específicas, em taxas suficientes para compensar sua (taxa de) decomposição. Com base nesse conjunto de evidências,  parece inverossímil que C tenha tido algum papel na origem da vida.

Mais adiante, lemos:

Ausência de citosina em meteoritos e experimentos com descargas elétricas

A obtenção de adenina e guanina a partir de meteoritos tem sido citada como evidência de que essas substâncias devem ter sido disponíveis como “matéria-prima” na Terra pré-biótica. No entanto, a hidrólise por meio de ácido se faz necessária para liberar esses materiais, e a quantidade obtida tem sido baixa. Traços de uracila foram relatados nessas análises, mas nada de citosina.

A formação de substâncias por descargas elétricas em simulações de uma atmosfera primitiva tem sido igualmente tidas como um indicador positivo da disponibilidade pré-biótica dessas substâncias. Outra vez, diminutas quantidades de adenina e guanina tem sido reportadas nessas reações, mas a citosina não.

O autor avalia modelos de síntese de C usando as seguintes substâncias:

-Cianoacetileno: Ferris e colegas relataram que 0.2 M (Mol) de cianoacetileno e 2 M de cianato reagiram quimicamente a 30° C para formar trans-cianovinil-ureia (TCVU) e substâncias não-identificadas. A conversão de TCVU em citosina ocorreu prontamente em pH 11 ou acima (lembre-se que o pH dos mares atuais é 8). Em uma preparação mais direta, cianato (0.05 M) e cianoacetileno (0.025 M) foram aquecidos juntos a 100° C durante 24 horas, gerando 6% de citosina. Contando todas as circunstâncias, o maior percentual de C obtida foi 19%.

Porém a questão surge sobre como tais reagentes poderiam estar disponíveis na Terra primitiva em concentrações necessárias. Cianoacetileno é obtido pela incidência de descargas elétricas em misturas de CH4/N2 (chega-se a obter 8,4% desse reagente através desse método), mas tais misturas precisam da adição de carbono reduzido e da exclusão de água e amônia. Na ausência de outros nucleófilos como tiois, aminos e HCN, cianoacetileno decompõe-se muito rápido (meia-vida de 11 dias em pH 9 e 30° constantes).

A presença de cianato também é obscura. Uma das substâncias que o produzem, no caso,, o cianogeno tem uma meia-vida de menos de 30 segundos, sob temperatura de 25°C  pH 9. O cianato por si só é relativamente instável (para propósitos pré-bióticos) e em soluções aquosas se decompõe em carbonato de amônio, no máximo, em poucas centenas de anos, tornando a concepção de que poderia estar presente em concentrações de 0.01 M em um oceano primitivo altamente inconcebível.

-Cianoacetildeído:  Robertson e Miller divulgaram resultados de seus experimentos que obtiveram entre 30% e 53% de citosina. O procedimento usado consiste em aquecer soluções com concentrações de 10−3 (0.001 M) de cianoacetildeído e diversas concentrações de ureia dentro de uma ampola vedada a 100° C durante 5 horas. Uma dificuldade óbvia com relação a esse modelo é que a formação de citosina e sua subsequente desaminação (perda de grupos aminos) em uracila ocorrem praticamente ao mesmo tempo em soluções de ureia entre 1 e 2  Mols. Robertson e Miller observaram que 40% da citosina tinha sido perdida após 120 horas a 100°, e também que, com ureia saturada, a quantidade de citosina despenca após 30 horas.

A disponibilidade de Cianoacetildeído em um cenário pré-biótico também é grandemente questionável. Tal substância é altamente reativa em presença de muitos nucleófilos diferentes, na presença do grupo amino de proteínas e aminoácidos (o que poderia violar a pureza necessária para o cianoacetildeído poder dar origem a citosina e prejudicar os aminoácidos igualmente) e na presença de água (tendo meia-vida de 31 anos a 30°C e pH 9).

A água representa um verdadeiro beco sem saída: não pode ser excluída das soluções, porém sua presença é garantia de decomposição e consequente perda de citosina e outras substâncias como as citadas até aqui.

Outro problema frisado é a a questão da ureia em processos evaporativos prolongados. Ela existe em equilíbrio com pequenas porções de cianato amoníaco. Esse equilíbrio é rompido pela contínua ação da hidrólise do cianato em carbonatos, com a consequente perda do gás amônia. Nos experimentos de Robertson e Miller a síntese da citosina foi toda realizada em tubos vedados, o que evitou a perda da amônia. Outras substâncias também poderiam esgotar a ureia, como a glicina (um dos aminoácidos essenciais para a vida), diglicina, oligoglicinas e dicetopiperazinas, o que demonstra que, a menos que aminos e aminoácidos fossem totalmente excluídos da solução pré-biótica, a síntese de C seria inviável.

Só para terminar, vamos checar o que Shapiro escreveu sobre a questão da desaminação de C. (Desaminação é o processo pelo qual o aminoácido libera o seu grupo amina na forma de amônia e se transforma em um cetoácido correspondente.)

A desaminação espontânea de C e derivados quando em soluções aquosas representa um grande obstáculo em termos pré-bióticos. Essa reação foi primeiro divulgada em pesquisas do próprio Shapiro e colegas 2.  Ela ocorre em um DNA de filamento único a uma velocidade suficiente para causar um pandemônio genético 3. Isso é um problema inclusive para células, mas pelo menos elas possuem mecanismos de correção, como a enzima de reparo uracil-DNA glicosilase (essa enzima vigia o DNA contra a formação de uracila, oriunda da degradação de C, realizando a excisão das uracilas através de hidrólise. Em células faltando essa enzima a ocorrência de mutagênese acentuada é a via de regra). Em um mundo pré-biotico, no entanto, a natureza não conta com essa ajudinha.

Garrett e Tsou realizaram os estudos mais detalhados sobre a desaminação de C. Segundo eles, essa reação ocorre em todos os níveis de Ph (mas ocorre em menor incidência na faixa entre 6-9). Ácidos catalizam a reação ao protonizarem C. Uma variedade de “buffers” (ou tampões) também cataliza a reação, sendo que o bissulfito é particularmente forte nesse sentido. Os dados de Garrett e Tsou foram complementados por Levy e Miller, que extrapolaram uma meia-vida de C de 340 anos em pH 7 e 25° Celsius. Essa taxa foi acelerada por buffers comuns, examplo, adição de 0.05 M de acetato reduzem a meia-vida de C em 50%! Miller e Orgel resumiram bem essa situação:

Hidrólise de citosina em uracila é deveras ráppida e citidina é hidrolisada em uridina em um ritmo similar. Isso é algo realmente dificultoso se presumimos que C era requerida pelos ácidos nucleicos no primeiro organismo. 4

Desaminação, claro, não é o único agente destrutivo; outras reações químicas também irão extinguir a citosina. Um dos exemplos é a própria luz solar, que contém raios UV. Eles reagem com a citosina, convertendo-a em seu foto-hidrato e em foto-dímeros ciclobutanos (ambos ainda mais suscetíveis a desaminação), o que faria necessário que a reação pré-biótica tivesse de ocorre no completo escuro.

Conclusão

Citosina, por sua fragilidade, não é encontrado nem em meteoritos, nem ocorre em reações típicas como as de Miller e Urey. Mesmo suas matérias-primas são igualmente frágeis. E mesmo quando se produz citosina, sua decomposição é rápida, por conta da hidrólise, protonação, desaminação e fotodecomposição. Diante de tudo isso, muitos teóricos se sentem tentados a pressupor que C não foi usada nas primeiras moléculas hipotéticas auto-replicantes. Isso também teria de excluir a guanina, que somente se pareia com C em um ácido nucleico. Alguns teóricos cogitam ácidos nucleicos primitivos com apenas duas bases, mas é sabido que tal modelo não é muito atrativo, pois ácidos nucleicos assim são mais instáveis e bem menos úteis e funcionais.

Referências

Robert ShapiroPrebiotic cytosine synthesis: A critical analysis and implications for the origin of life 4396–4401, doi: 10.1073/pnas.96.8.4396 (link)

 

2 Robert Shapiro , Robert S. Klein, The Deamination of Cytidine and Cytosine by Acidic Buffer Solutions. Mutagenic Implications, Biochemistry, 1966, 5 (7), pp 2358–2362 DOI: 10.1021/bi00871a026,  1966 

Lindahl T,Nyborg  Heat-induced deamination of cytosine residues in deoxyribonucleic acid,  Biochemistry 13:34053410 (1974)

4 Miller S L, Orgel L E(1974) The Origins of Life on the Earth (Prentice Hall, Englewood Cliffs, N. J.).

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2 comentários sobre “A estabilidade da citosina: Implicações para o mundo pré-biótico

  1. Sinceramente, não vejo a grande relevância destes textos para a causa dos criacionistas. Talvez seria melhor para eles se se empenhassem mais em trabalhar para arranjar evidências conclusivas de design inteligente em vez de apontarem as falhas nas teorias dos outros – que mesmo assim conseguem ter alguma substância, coisa que o criacionismo do DI não tem.

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