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Bioquímica – A origem bioquímica da vida
1 – Introdução: o ambiente da Terra na Era Azóica
A Terra, em processo de formação, se caracterizou por apresentar um ambiente de variações extremas de temperatura de uma forma cíclica, envolvendo altíssimas temperaturas provenientes de atividade vulcânica, quando eram expelidos dos vulcões em erupção material inorgânico em forma de lavas incandescentes, junto ao vapor d’água que irá provocar, pouco a pouco, um acúmulo de umidade, a continuidade de chuvas, a conseqüente formação de mares, rios e lagos e, finalmente, a intercalação de seguidos resfriamentos que se alternam aos novos aquecimentos produzidos por constantes e novas erupções, em pequeno espaço de tempo.
1.1 – Os primeiros blocos construtivos dos seres vivos.
Nestas circunstâncias, a vida se originou de uma forma aleatória em nosso planeta, há cerca de 4,5 bilhões de anos, na Era Azóica (4,5 a 1 bilhão de anos), um período de longa duração, em condições especialíssimas: era o período em que uma série de reações químicas com materiais inorgânicos foi levado a cabo em virtude das transformações radicais do meio ambiente na Terra – extremo aquecimento por erupções vulcânicas e resfriamento por contínuas chuvas - resultando nos primeiros blocos construtivos de matéria orgânica, os aminoácidos.
1.2 - Reações constantes: novos produtos
Este ambiente, ao longo de 3,5 bilhões de anos, tende a se estabilizar pelo esfriamento da crosta terrestre e, ao longo deste processo de estabilização, os elementos organógenos (C, H, O, N), presentes na superfície da Terra, quando da formação da Terra, em forma de vapor - (H2O), amônia (NH3), metano (CH4) e hidrogênio (H2) - são processados quimicamente, reagindo através de correntes elétricas na forma de raios e da presença massiva de raios ultravioletas, já que não existia a camada de ozônio, formando, portanto, novos produtos através de reações constantes.
Constantes esfriamentos, correntes elétricas em forma de raios, atuação de raios ultravioletas e chuvas fazem com que os gases presentes na atmosfera da Terra se combinem e originem as primeiras moléculas orgânicas, os aminoácidos, os elementos constitutivos básicos das proteínas.
1.3 – As formas primárias de vida na Terra.
as primeiras biomoléculas, moléculas impulsionadas por cargas elétricas, que se atraem e se repelem conforme as cargas elétricas sejam de mesmo sinal ou de sinais contrários, e que se constituem na forma mais primária de vida que podemos supor na face da Terra neste período.
2 – A hipótese de Oparin e o aparecimento de vida na Terra
Aleksandr Ivanovitch Oparin, um bioquímico russo, membro da Academia de Ciências da URSS, desenvolveu em 1930 a hipótese que expusemos acima, indicando um novo caminho aos pesquisadores.
2.1 – A hipótese de Oparin.
Baseado em experimentos com um espectroscópio acoplado a um telescópio e que indicava a existência de metano, amônia e hidrogênio, além de outros gases, presentes também nas atmosferas de Júpiter, Netuno, Saturno e do Sol, Oparin constituiu sua hipótese sobre o aparecimento da vida na Terra.
Na medida em que a Terra teve a mesma origem que estes outros planetas, todos provenientes do Sol, a possibilidade de a hipótese ser passível de comprovação em prova de experiência em laboratório era muito positiva, já que permitia assumirmos que, no passado, a Terra pudesse ter similaridade de atmosfera com estes planetas citados. Restava provar o aparecimento de aminoácidos, matéria orgânica, a partir dos elementos inorgânicos, presentes na suposta atmosfera da Terra e sua constituição em proteínas, em outros elementos e, posteriormente, individuados como seres vivos.
2.2 – A comprovação da Hipótese de Oparin.
Esta questão crucial – o aparecimento bioquímico da vida na Terra – veio a ser testada e comprovada em 1954, na Universidade de Chicago, por Stanley Miller e Harold Urey.
Estes cientistas, partindo da hipótese de Oparin construíram um modelo teórico e um aparelho no qual procuraram reproduzir as condições da atmosfera da Terra primitiva com os elementos organógenos presentes em uma mistura gasosa de amônia, metano, vapor d’água e hidrogênio. Este aparelho, conforme modelo abaixo, fazia todo o conjunto sofrer seguidamente fervura em alta temperatura (1), descargas elétricas de 60.000 volts (2), um processo de resfriamento e condensação (3) e, por fim, depósito numa parte mais baixa do tubo, em forma de U (4), onde amostras poderiam ser colhidas, o material se depositava e, aos poucos, retornando ao ponto de início da experiência (1), reiniciava o ciclo de fervura.. Cada um dos pontos indicava uma das situações típicas da hipótese de Oparin quanto às condições da atmosfera da Terra na Era Azóica:
(1) – Simulação das altas temperaturas da atmosfera da Terra, submetida às atividades vulcânicas.
(2) - Simulação da atividade elétrica dos raios.
(4) - Simulação do repouso parcial nos mares, até que entrassem em processo de fervura outra vez e se iniciasse, novamente, todo o ciclo.
O trabalho dos pesquisadores resultou, como era esperado, da produção de aminoácidos, comprovando a hipótese de Oparin.
2.4 – A hipótese do surgimento bioquímico da vida
Segundo Oparin, o surgimento da vida, após o a criação dos primeiros blocos construtivos das biomoléculas protéicas, os aminoácidos, se deu em etapas e com uma certa lógica, como podemos retracejar, hoje:
1º - A partir do ciclo da matéria inorgânica já descrito, surgiriam aminoácidos, carboidratos, ácidos nucléicos, lipídios (matéria orgânica – biomoléculas) espontaneamente, além de se manterem na atmosfera e no solo da Terra, diversas combinações diferentes: água (H20), metano (CH4), amoníaco (NH3), anidrido carbono (CO2), ácido cianídrico (HCN), moléculas de hidrogênio (H2), compostos sulfurados, fosfatados e muitos outros.
2º - Estes aminoácidos (matéria orgânica) e demais biomoléculas seriam trazidos à Terra pelas chuvas, permanecendo uma parte nos mares e outra parte repousando sobre superfícies muito quentes ou sujeitas a novas erupções, e, consequentemente, todos sofrendo contínua ação de calor, todos formariam novas biomoléculas, todas depositadas continuamente na superfície da Terra, no transcurso do tempo, principalmente, nos mares.
3º - Com os oceanos, rios e lagos ocupando 75% da superfície da Terra, com as contínuas chuvas depositando minerais nas águas, assim como as erupções submarinas fornecendo outras substâncias minerais incandescentes e altas quantidades de calor, formou-se no meio líquido da Terra, as condições ideais para que inúmeras reações químicas se processassem. Entretanto, seu número pode ser muito maior com materiais em estado líquido, por algumas razões citadas abaixo.
• A água é o solvente universal, dissolvendo mais substâncias e em maior quantidade que qualquer outro solvente.
• Todos sabemos que as reações químicas podem se dar com materiais sólidos e gasosos, sendo a água na Terra primitiva, sua fonte mais importante de hidrogênio e oxigênio.
• Os processos bioquímicos ocorridos em meio líquido são fundamentais aos seres vivos, podendo-se mesmo dizer que a vida é função do meio líquido e das condições ideais de calor da atmosfera da Terra.
4º - A importância química dos demais compostos organógenos – carbono, oxigênio e nitrogênio – além de grupos de substâncias onde estão presentes o enxofre e o fósforo, para o surgimento da vida, foram fundamentais, principalmente porque foram facilitadas pelas características do carbono.
2.5– A química do carbono, a base da vida.
No caso do carbono, devemos lembrar suas qualidades químicas fundamentais:
a) Os átomos de carbono são as unidades fundamentais dos compostos
orgânicos.
A partir desta noção, poderíamos afirmar que a vida na Terra é uma decorrência da química do carbono.
b) O átomo de carbono é tetravalente.
Esta qualidade do carbono permite que ele estabeleça quatro ligações covalentes ou, em outras palavras, forme quatro pares eletrônicos com diversos elementos, havendo prioridade de ligação com os átomos dos demais elementos organógenos: hidrogênio (H), oxigênio (O) e nitrogênio (N), além de se combinar com muitos outros elementos.
c) As quatro valências do carbono são iguais entre si.
Esta qualidade do carbono em suas ligações com os demais átomos tem implicações na simplicidade estrutural e espacial dos compostos de carbono na formação da vida. Só existe um cloreto de carbono CH3Cl, não importa em que ponto de ligação se encontre o Cl. As propriedades da substância serão as mesmas.
d) Os átomos de carbono formam ligações simples, duplas e triplas.
Estas características do carbono permitem que o carbono se combine com inúmeras outras substâncias, especialmente o hidrogênio (ligações simples, C-H), o oxigênio, (ligações duplas O=C=O), e o nitrogênio (ligações triplas C = N). Como sabemos, as ligações covalentes são bastante estáveis e firmes, uma vez que são feitas com os elétrons mais externos do átomo, tornando a formação das moléculas na Natureza extremamente estáveis.
e) Os átomos de carbono podem ligar-se uns aos outros, formando cadeias carbônicas.
Estas cadeias podem ser: • Grandes ou pequenas.
• Abertas, fechadas ou mistas.
• Retas ou normais e, outras, apresentando ramificações. • Saturadas ou insaturadas.
Todo este conjunto de possibilidades atribui às cadeias de carbono uma propriedade muito interessante para a formação da infinidade de substâncias compostas de carbono, presentes na face da Terra, especialmente, se nos lembrarmos, das proteínas, em sua grande variedade, uma das razões fundamentais da diversidade dos seres vivos.
Facilmente, podemos verificar que não existe outro elemento que apresente tais possibilidades de combinação com outros átomos e tal diversidade de configuração, sendo, por sua estabilidade, a base do esqueleto da molécula dos composto orgânico. Deste modo, é o metano (CH4) que, enlaçando-se a outras unidades de metano, dá origem às cadeias de carbono e faz da química do carbono a base bioquímica da vida. 2.6 – A formação dos colóides e dos coacervados
Nos mares primitivos, nas condições descritas, diversas reações químicas tiveram lugar com as cadeias carboníferas básicas e os demais elementos lá depositados ao longo dos 3,5 bilhões de anos.
Deste modo, nos oceanos, rios e lagos, pelo menos 30 a 40 elementos diferentes formavam uma solução riquíssima e sempre em mutação: a solução coloidal primordial, onde, pelo menos, cinco classes de compostos se formaram:
• Açúcares ou hidratos de carbono, intervindo C, H e O. • Álcool glicerol ou glicerina, intervindo C, H, O.
• Ácidos graxos, intervindo na fórmula o C, H e O, formando numa das extremidades da fórmula o ácido carboxílico, com os elementos citados.
• Aminoácidos, blocos constitutivos básicos das proteínas, intervindo o C, H e O e um novo grupamento, o grupo amina, com a presença do nitrogênio associado ao hidrogênio e a radicais monovalentes.
• As bases nitrogenadas, a purina e a pirimidina, com a presença do C, H e N.
Como podemos ver, a solução coloidal depositada nos oceanos, rios e lagos, as condições atmosféricas primitivas da Terra e a continuidade de reações químicas tornaram possíveis a interpenetração das partículas de colóides e a formação de coacervados.
2.6.1 – Os coacervados
Oparin sugere em sua hipótese que, a partir deste ponto, podem ter surgido radicais fosfatados que se tenham combinado com proteínas, formando as nucleoproteínas. Estas nucleoproteínas seriam capazes de desenvolver uma atividade enzimática, catalizando reações químicas e atuando como se fossem genes isolados na solução de oceanos, rios e lagos, por sinal, uma solução extremamente nutritiva, pela presença de abundante de glicose.
2.6.2 – As pré-células.
Pouco a pouco, os coacervados, que podem já ser pensados como pré-células devem ter englobado os lipídios e proteínas presentes, formando uma membrana seletiva em torno de sua superfície, cada vez mais se individuando. Possuidoras de ácidos nucléicos e de enzimas, estes elementos, podendo funcionar se alimentando por reações, supõe-se de quimiossíntese, dado o ambiente de ainda pouco oxigênio da Terra, iniciaram a se reproduzir e podem ser consideradas as rudimentares células vivas do período primitivo da Terra.
