Hipótese do mundo de ARN

A hipótese do mundo de ARN propón que hai miles de millóns de anos a vida baseada na química do ARN precedeu a vida actual baseada na química do ADN. Esta hipótese baséase na capacidade do ARN de almacenar, transmitir e duplicar a información xenética, da mesma forma que o fai o ADN. O ARN pode actuar tamén como un ribozima (un encima feito de ácido ribonucleico). Debido a que pode reproducirse a si mesmo, desenvolvendo as tarefas do ADN e das proteínas (encimas), pénsase que o ARN tiña a capacidade de ter a súa propia "vida" independente. Os compoñentes do ARN son os ribonucleótidos, e aínda que non se encontraron nucleótidos no experimento de Miller e Urey, si se encontraron os seus compoñentes nas simulacións doutros investigadores, como nas de Joan Oró. Experimentos cos ribozimas básicos, como o ARN viral Q-beta, demostraron que as estruturas de ARN autorreplicantes sinxelas poden resistir mesmo fortes presións selectivas (como os terminadores de cadea de quiralidade oposta).
Walter Gilbert foi o primeiro en usar a expresión "mundo de ARN" en 1986. Porén, a idea de vida de ARN independente é máis antiga, e pódese encontrar no libro de Carl Woese The Genetic Code. . Cinco anos antes, o biólogo molecular Alexander Rich, do Instituto de Tecnoloxía de Massachusetts, xa propuxera gran parte da mesma idea nun artigo escrito para un volume publicado en honor do premio Nobel de Fisioloxía Albert Szent-Györgyi. Propiedades do ARN
As propiedades do ARN poden darnos unha idea da posibilidade conceptual da hipótese do mundo de ARN, aínda que a súa corrección como explicación da orixe da vida é debatida. Sábese que o ARN é un eficiente catalizador e ao igual que o ADN posúe a capacidade de almacenar información.
Unha versión da hipótese lixeiramente distinta é que un tipo diferente de ácido nucleico, denominado "pre-ARN" fose o primeiro en xurdir como molécula autorreproductora para ser substituído polo ARN despois. Estes ácidos nucleicos a miúdo prodúcense e polimerizan máis doadamente en condicións prebióticas. Algúns candidatos serían o ácido nucleico peptídico ou ANP, o ácido nucleico de treosa ou ANT e o ácido nucleico de glicerol ou ANG.
O ARN como encima
Os encimas de ARN ou ribozimas existen no actual mundo de ADN, aínda que non son comúns. Porén, os ribozimas desempeñan papeis de vital importancia. Son compoñentes esenciais do ribosoma, o cal é esencial para a síntese de proteínas. Son posibles moitas funcións dos ribosomas: A natureza emprega amplamente o auto-splicing do ARN e a evolución dirixida no laboratorio creou ribozimas cunha gran variedade de actividades. Entre as propiedades encimáticas importantes para o comezo da vida están: A capacidade de autoduplicación ou de duplicar outras moléculas de ARN. Producíronse no laboratorio moléculas relativamente curtas de ARN que poden duplicar a outras. As máis curtas eran dunha lonxitude de 165 bases aínda que se estimou que só parte desta secuencia era esencial para esta función de duplicación. Unha versión cuxa lonxitude era de 189 pares de bases obtiña unha fidelidade de copia do 98. 9%, o que significaría que podería facer unha copia exacta dunha molécula de ARN tan longa como ela mesma de cada oito copias, aínda que este ribozima de 189 pb como moito podería polimerizar un molde de 14 nucleótidos de lonxitude, demasiado curto para consideralo replicación, pero representa un grande comezo.
A capacidade de catalizar reaccións químicas que favorecen a creación de ARN. Creáronse no laboratorio moléculas relativamente pequenas de ARN que poden crear outras cadeas de ARN facilmente.
A capacidade de formar enlaces peptídicos para producir péptidos curtos e ocasionalmente proteínas enteiras. Isto realízase nas células modernas nos ribosomas, un complexo de dúas moléculas grandes de ARN coñecidas como ARN ribosómico xunto con outras proteínas. Sábese que as dúas moléculas de ARNr son as responsables desta actividade encimática. Creouse no laboratorio unha molécula de ARN máis curta que pode formar enlaces peptídicos, e suxeriuse que o ARNr evolucionou a partir dunha molécula similar. Tamén se suxeriu que os aminoácidos poderían inicialmente complementarse con moléculas de ARN como cofactores mellorando ou diversificando as súas capacidades encimáticas, antes de evolucionar a péptidos máis complexos; e o ARNt puido evolucionar de moléculas que catalizaban transferencias de aminoácidos.
O ARN como almacén de información
O ARN é unha molécula moi parecida ao ADN e só presenta dúas diferenzas químicas con este, polo que a estrutura completa do ARN e do ADN son moi similares. Unha cadea de ADN e outra de ARN poden unirse para formar unha estrutura de dobre hélice. Isto fai posible o almacenamento de información no ARN dunha forma moi parecida á que se observa no ADN.
Comparación das estruturas do ADN e ARN
A principal diferenza é a presenza dun grupo hidroxilo en posición 2' do azucre ribosa no ARN. Este grupo fai que a molécula sexa menos estable, porque ao non impedirllo o enrolamento en dobre hélice, o grupo 2'-OH da ribosa pode atacar quimicamente ao enlace fosfodiéster adxacente de modo que o enlace fosfodiéster pode romper. O grupo hidroxilo tamén forza á ribosa a adoptar a conformación C3'-endo en lugar da máis habitual C2'-endo do ADN. Isto obriga a unha dobre hélice de ARN a adoptar unha conformación lixeiramente diferente á do ADN B normal e máis parecida á do ADN A menos habitual.
O ARN tamén utiliza un grupo de bases diferente -adenina, guanina, citosina e uracilo- en lugar de adenina, guanina citosina e timina. O uracilo é quimicamente similar á timina, aínda que hai que empregar menos enerxía para producilo. En termos de emparellamento de bases isto non ten ningún efecto, xa que a adenina pode unirse ao uracilo perfectamente. Porén, o uracilo é un produto orixinado na trasformación da citosina cando esta sofre danos, facendo que o ARN sexa particularmente susceptible a mutacións que poden facer cambiar un par de bases GC por GU ou AU.
Limitacións na capacidade de almacenamento de información do ARN
Non é fácil almacenar grandes cantidades de información no ARN. As propiedades químicas do ARN fan que as moléculas grandes de ARN sexan inherentemente fráxiles e se poidan fragmentar doadamente, sendo posteriormente descompostas en nucleótidos por hidrólise. As bases aromáticas tamén absorben fortemente a fracción ultravioleta do espectro e poderían ter sido susceptibles de danos e descomposición pola radiación de fondo. Estas limitacións non fan que sexa imposible a utilización do ARN para almacenar información, senón só que esta sexa esixente desde o punto de vista enerxético (para reparar ou substituír as moléculas danadas de ARN) e que sexan propensas á mutación. Pero se ben isto fai que o ARN como almacén de información sexa pouco adecuado na actual vida "optimizada" para o ADN, si puido selo nas condicións da vida primitiva.
O ARN como regulador
Os riboswitches ou ribointerruptores son partes dunha molécula de ARNm que actúan como reguladores da expresión xénica, particularmente en bacterias, pero tamén en plantas e archaea. Os riboswitches alteran a súa estrutura secundaria en resposta á unión dun metabolito. Este cambio de estrutura pode orixinar a formación ou ditorsión dun terminador dun xene, truncando ou permitindo a transcrición respectivamente. Alternativamente, os riboswitches poden unirse ou ocluír a secuencia Shine-Dalgarno, o que afecta á tradución. Suxeriuse que estes riboswitches se orixinaron nun mundo primitivo baseado na química do ARN. Ademais, os chamados termómetros de ARN regulan a expresión xénica en resposta a cambios de temperatura. Dificultades da hipótese
Como non existen vías químicas para a síntese abioxénica de nucleótidos a partir das bases pirimidínicas citosina e uracilo baixo condicións prebióticas podería ser que os ácidos nucleicos non as contivesen inicialmente. É revelador que o nucleósido citosina teña unha vida media en illamento de 19 días a 100 °C e 17. 000 anos en auga xeada, o cal é aínda moi curto para os tempos a escala xeolóxica. Outros autores poñen en cuestión que a ribosa e outros azucres do esqueleto dos ácidos nucleicos poidan ser o suficientemente estables como para encontrarse entre o material xenético orixinal. Por exemplo, sábese que o enlace éster entre a ribosa e o ácido fosfórico no ARN é propenso á hidrólise. Ademais, a ribosa ten que ser toda do mesmo enantiómero, porque calquera nucleótido cunha quiralidade diferente actuaría como terminador da cadea. Detalles do mundo de ARN
Mecanismos propostos para a síntese prebiótica de ARN
Os nucleótidos son moléculas fundamentais que se combinan en serie para formar ARN. Consisten nunha base nitroxenada unida a un esqueleto de azucre-fosfato. O ARN está composto por longos tramos de nucleótidos específicos ordenados de tal modo que a súa secuencia de bases leva información. A hipótese do mundo de ARN sostén que no caldo primixenio ou sándwich primixenio existirían xa os nucleótidos en disolución. Estes nucleótidos formarían enlaces de forma regular con outros, que romperían facilmente porque o cambio de enerxía era baixo. Porén, certas secuencias de pares de bases terían propiedades catalíticas que diminuirían a enerxía para xerar a súa cadea, facendo que permanecesen xuntos por períodos de tempo máis longos. A medida que se alongaba a cadea ía atraendo os nucleótidos que se unían de forma máis rápida, facendo que a cadea se formase máis rapidamente ca a súa velocidade de degradación.
Propúxose que estas cadeas foron as primeiras e máis primitivas formas de vida. No mundo de ARN as diferentes cadeas competían entre elas polos nucleótidos libres e estaban suxeitas á selección natural. As moléculas máis eficientes de ARN, aquelas capaces de catalizaren eficientemente a súa propia reprodución, sobrevivían e evolucionaban, formando o moderno ARN.
A competición entre os ARN puido ter favorecido o surximento dunha cooperación entre cadeas diferentes, abrindo o camiño para a formación das primeiras protocélulas. Nalgún momento as cadeas de ARN desenvolveron ao chou propiedades catalíticas que axudaban aos aminoácidos a unirse por enlaces peptídicos. Estes aminoácidos poderían entón contribuír á síntese de ARN, proporcionando a esas cadeas de ARN que actuaban como ribozimas unha vantaxe selectiva. Co tempo foron recrutados para a vida o ADN, os lípidos, os carbohidratos e todos os tipos de substancias químicas que hoxe forman parte dela. Isto trouxo a aparición das primeiras células procariotas e finalmente a vida tal e como a vemos actualmente.
Desenvolvementos posteriores da hipótese
Patrick Forterre estivo traballando nunha hipótese controvertida que establece que os virus foron o instrumento que produciu a transición do ARN ao ADN e a evolución das bacterias, arqueas e eucariotas. Este autor cre que o último antepasado común universal (LUCA) foi un ser baseado no ARN que desenvolveu virus de ARN. Algúns destes virus evolucionaron a virus de ADN para protexer os seus xenes de ataques. A través do proceso de infección viral evolucionaron os tres dominios da vida. Hipótese alternativa
Como se mencionou, unha versión distinta da mesma teoría é a do "mundo de pre-ARN", na que se propón que un ácido nucleico diferente precedeu ao ARN. Como alternativa propúxose ao ácido nucleio peptídico (ANP). O ANP é máis estable ca o ARN e parece que sería máis sinxelo de sintetizar en condicións prebióticas, especialmente porque a síntese de ribosa e a adición de grupos fosfatos son problematicas, porque non existían ningunha das dúas. Propúxose o ácido nucleico de treosa como punto de partida, e tamén o ácido nucleico de glicerol.
Outra alternativa diferente (ou complementaria) á ensamblaxe de ARN é a hipótese do mundo de HAP (hidrocarburos aromáticos policíclicos). Outra teoría alternativa máis á hipótese do ARN sería a hipótese da panspermia, que explora a posibilidade de que a vida neste planeta fose traída dalgún outro lugar da galaxia. Implicacións do mundo de ARN
De ser certa a hipótese do mundo de ARN tería importantes implicacións para a mesma definición da vida. Durante a maior parte do tempo que seguiu ao descubrimento da estrutura do ADN por Watson e Crick, considerouse que a vida se definía en grande medida en termos de ADN e proteínas. O ADN e as proteínas parecían ser as macromoléculas dominantes nas células vivas, de modo que o ARN tiña o único propósito de axudar a crear proteínas a partir do "plano" de ADN.
Esta hipótese sitúa ao ARN nun papel central na orixe da vida, o cal promoveu numerosos estudos nos últimos dez anos que desvelaron importantes aspectos na función do ARN que previamente se descoñecían e demostran un papel crítico do ARN na funcionalidade da vida. En 2001 a hipótese do mundo de ARN recibiu un grande impulso ao descifrarse a estrutura tridimensional do ribosoma, que revelaba que os lugares catalíticos chaves do ribosoma estaban feitos de ARNr e que as proteínas non tiñan un papel estrutural importante e eran de importancia funcional accesoria. Falando máis especificamente, sábese actualmente que a formación do enlace peptídico, que é a reacción que une os aminoácidos entre si para formar proteínas, está catalizada por un residuo adenina do ARN ribosómico e, por tanto, o ribosoma é un ribozima.
Este descubrimento suxire que as moléculas de ARN tiñan con toda probabilidade a capacidade de xerar as primeiras proteínas. Outros descubrimentos importantes mostraron que o ARN era máis que un simple mensaxeiro ou adaptador para transferir moléculas, como é no caso das riboproteínas nucleares pequenas (snRNP) no procesamento do pre-ARNm e a corrección do ARN (RNA editing) e a transcrición do ARN en eucariotas no mantemento dos telómeros e na reacción da telomerase.