La síntesis de los ribonucleótidos

Nuevos aspectos sobre la síntesis de los ribonucleótidos bajo condiciones prebióticas

El descubrimiento de una fundamentalmente nueva vía de síntesis.

Una condición básica para la formación de la vida, hace 4 mil millones de años, fue la existencia del biopolímero portador de información, que debía tener la capacidad de auto replicarse. Según los conocimientos actuales se trataba con esta molécula, probablemente de una ácido ribonucleico (ARN). Esta suposición es apoyado por el hecho, que determinadas moléculas de ARN desarrollan determinadas actividades enzimáticas y catalizan la más diversas reacciones químicas, entre otros también pueden auto replicarse y cortarse y empalmarse (“Splicing”). Este sorprendente descubrimiento, hizo que se postuló como primordial todo un “Mundo de ARN” (Gilbert 1986).
La “columna vertebral” del ARN se compone de una larga cadena uniones de fosfodiésteres alternadamente interconectado con moléculas de fosfato y el azúcar D-Ribosa […-fosfato-D-Ribosa-fosfato-d-ribosa…], donde por encima de un “enlace glicosídico” está adicionado en cada caso una de las cuatro bases nucleícas Adenina, Uracilo, Guanina y Citosina . La figura 1 muestra uno de los cuatro bloques del ARN: El nucleótido uridina monofosfato, que en las posiciones C3 y C5 del anillo de ribosa, junto a otros nucleótidos pueden condensarse al ARN. Como una esencial debilidad del modelo del “Mundo ARN”, durante mucho tiempo, se consideraba la inestabilidad de la Ribosa en una solución acuosa libre, como también la dificultad, para que se realicen químicamente, en la forma “correcta”, los enlaces N-guclosídicos en el nucleótido (entre el anillo Nitrógeno de la base nucleica y el átomo C1' del azúcar). A pesar de que ya hace tiempo existen descubrimientos empíricos, que demuestran, que Ribonucleótidos pueden polimerizase a ARN, seguía siendo un misterio, cuáles eran las vías, por las cuales los ribonucleótidos que se han construido químicamente a partir de sus bloques (Ribosa, bases nucleícas y fosfato). Así se desarrolla la condensación de las Purinas (Adenina y Guanina) con la Ribosa en el grupo 1'-OH del anillo Ribosa necesaria, sólo con un rendimiento muy bajo y las pirimidinas (Citosian y Uracil) prácticamente no aparecen . En base a estas dificultades, a menudo se suponá, que en el mar originario no se formó ARN, si no, primeramente moléculas precursores del ARN, que tenían otra columna vertebral. (Rauchfuß 2005).

Enlace N- glicosídico

Cuadro 1: Ladrillo del ARN: El ribo nucleótido “uridina monofosfato”. La molécula de azúcar Ribosa está atada con la base nucleica por el enlace N-glicósido al átomo C1' con la base nucleica Uracil. (Los átomos de carbono del anillo de la ribosa están enumerados de acuerdo a la nomenclatura). El grupo OH en el C5' está esterificado con ácido fosfórico.
Otro problema consiste en, que sustancia precedentes simples, que juegan un rol en la síntesis de azúcares y bases nucleícas, a menudo reaccionan entre ellas sin control, originando con esto un amplio espectro de subproductos, donde la ribosa solo se forma en cantidades muy reducidas y que en soluciones acuosas libres se desintegran rápidamente. También los productos intermedios que se formaron del ácido cianhídrico y amoníaco, reaccionan entre ellos originando un sin números de productos, donde las sustancias de partida deseadas, para la formación de nucleótidos, sólo representan una porcentaje reducido (Problema de la “explosión combinatoria”).
Hace aproximadamente una semana apareció en la revista científica “Nature” un trabajo de tres químicos, en el cual se describe la formación del ribonucleótido piridina se describe de una manera sorprendentemente simple (Powner et al. 2009; Szostak 2009). Para esquivar los problemas de la síntesis convencional, no fueron preparados separadamente los bloques de los nucleótidos (aquí: Heterociclo de piridina y la ribosa) y posteriormente condensados entre sí, si no, por reacción química fueron construidos simultáneamente en una molécula, a partir de simples pre etapas. La vía de la síntesis no se origina entonces por medio de la ribosa libre, si no, por el compuesto 2-amino oxazol, de manera que es obviada la difícil condensación con pirimidinas

Figura 2: Modelos para la formación pre biótica de ribonucleótidos de pirimidina. (a) Según la tradición las ribosas libres como las bases nucleícas se condensan en forma separada, antes de condensarse a ribonucleótidos. (b) según el modelo de Powner y colegas es el 2-amino oxazol, que aparece como producto intermedio, contribuye tanto como para la ribosa como también a los átomos del añillo de pirimidina, la común etapa de ambos componentes del ribonucleótidos. Por lo tanto no se formaron separadamente. Szostak (2009, 171). Una exposición detallada sobre las reacciones se encuentra en Powner 2009, 239)

Como sustancias de partida servían pre bióticamente, plausibles compuestos como cianamida, ciano acetileno, glicol aldehído y cianamida, como también fosfatos inorgánicos. En esto reaccionan el glicol aldehído y la cianamida para formar 2-amino oxazol, que junto al gliceraldehído uy el ciano acetileno se convierte, en dos pasos, en anhídrido de arabino nucleótido. Esto en el último paso es fosforilado a ribonucleótido de piridina. Es interesante que el fosfato en esta reacción no sólo tenga importancia como reactivo en la esterificación del nucleósido ido al nucleótido. Más bien parece que la presencia de fosfato controla selectivamente simultáneamente varios pasos de la reacción, actuando como buffer de pH y catalizador con propiedades nucleófilicos Con esto se suprime la diversidad combinatoria, de manera que casi no aparecen productos paralelos no deseados.
Esta reacción ilustra la eminente importancia de sistemas multicomponentes en la evolución química. Los actuales resultados indican, que no necesariamente deben existir reacciones de multietapas, para construir complejas biomolécuas. Mezclas complejas, no necesariamente han de llevar a un amplio espectro de productos con reducidos rendimientos, en tanto componentes individuales controlan cooperativamente cinéticamente o termodinámicamente distintos pasos escalonados de la reacción. Que esto es posible bajo condiciones prebióticas plausibles, lo documentan muchos descubrimientos empíricos de manera sorprendente. Por esto el modelo del “Mundo ARN” ("RNA-first hypothesis") tiene una considerable plausibilidad.

Literatura

Gilbert, W. (1986) The RNA world. Nature 319, 618.

Powner, M.W./Gerland, B./Sutherland, J.D. (2009) Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions. Nature 459, 239-242.

Rauchfuß, H. (2005) Chemische Evolution und der Ursprung des Lebens. Springer-Verlag, Berlin.

Szostak, J.W. (2009) Systems chemistry on early earth. Nature 459, 171-172.

Traducido del alemán por A. Gundelach Octubre 2010, con la gentil autorización del Dr. Martin Neukamm 02.06.2009