23/10/2009

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Origem da Vida:

das moléculas ao LUCA

Romeu Cardoso Guimarães

romeucg@icb.ufmg.br

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