Por que ATP? Uma perspectiva de modelo criacionista

Imagem gerada por IA (acervo de Lexica)

por Fazale Rana

1º de novembro de 2023

Há um grande burburinho em torno das criptomoedas atualmente. Muitas pessoas veem o investimento em criptomoedas como uma forma de enriquecer rapidamente.

Para ser franco, não tenho certeza se entendo bem os meandros das criptomoedas para me sentir confortável em investir nelas.

A moeda é uma forma padronizada de troca em uma economia. É uma reserva universal de valor que pode ser apresentada ou recebida em troca de bens ou serviços. A utilização da moeda é tão comum, que se torna fácil ignorar a sua genialidade como invenção humana e a sua importância crítica para qualquer economia. Sem moeda, todos teríamos de negociar bens e serviços. E a troca é extremamente complicada e ineficiente.

A Moeda Energética da Célula

A Moeda não só garante o funcionamento eficiente das economias, mas também garante o funcionamento eficiente dos processos bioquímicos dentro da célula. Esses processos requerem energia. E essa energia é quase sempre fornecida pela biomolécula, ATP (trifosfato de adenosina) – uma molécula apelidada de moeda energética da célula.

Os bioquímicos aprenderam que, para que os processos bioquímicos da célula sejam adequadamente eficientes, é necessária uma molécula de moeda energética, como a ATP. Qual é a melhor explicação para o surgimento desta indispensável moeda energética?

Ligações Quebradas Fornecem Energia

Vamos começar com a estrutura da fonte de energia bioquímica. A ATP consiste em uma adenina ligada ao açúcar, a ribose. Também ligado à ribose está um grupo trifosfato (ver figura 1). 

Figura 1: A estrutura da ATP
Imagem de Bachaluh em Wimedia Commons com adaptações (CC BY-SA 4.0)

A porção trifosfato da ATP é a fonte de energia usada para impulsionar as atividades bioquímicas. Os três grupos fosforil são rotulados como alfa (α), beta (β) e, para o fosfato terminal, gama (γ). O grupo trifosfato é unido à ribose através de uma ligação fosfoéster. Os três grupos fosforil são unidos por duas ligações fosfoanidrido. Os bioquímicos referem-se às ligações fosfoanidrido como ligações de alta energia. Quando essas ligações são quebradas, a energia química liberada alimenta os processos que requerem energia dentro da célula.

Quando a ligação entre os grupos gama e beta fosforil é quebrada, o composto ADP se forma e libera uma molécula de fosfato. Quando a ligação entre os grupos beta e alfa fosforil é quebrada, os compostos AMP e pirofosfato se formam (ver figura 2). A ligação fosfoanidrido que une as duas porções fosfato do pirofosfato pode ser posteriormente dividida em duas moléculas de fosfato, liberando energia adicional que também pode ser usada para alimentar atividades celulares.

Figura 2: Hidrólise da ATP
Imagem de JT Ollemhebb (Sobre As Origens)

A ATP se forma na célula através de uma variedade de vias bioquímicas. Estas vias envolvem a quebra de moléculas de “combustível” (tais como açúcares e gorduras) que, por sua vez, libertam energia química que impulsiona a formação de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico. Em última análise, a maior parte da ATP da célula é produzida pelo complexo enzimático ATP sintase.  

A Economia Celular

A utilização de uma única espécie molecular (na sua maior parte) para armazenar e fornecer energia para operações bioquímicas baseia-se na mesma lógica que sustenta a utilização da moeda para impulsionar uma economia. Consequentemente, a ATP é chamado de moeda energética da célula.

Para apreciar a engenhosidade de usar uma única espécie molecular como moeda energética, imagine que você trabalha para um agricultor. Sem moeda, a única forma de ele lhe pagar pelo seu trabalho é com bens, como laranjas produzidas no seu pomar. Se você precisa de um par de sapatos, deve torcer para que o sapateiro precise de laranjas. Se ele não o fizer, você não conseguirá os sapatos. Agora você precisa encontrar alguém que pegue as laranjas e forneça os produtos de que o sapateiro precisa.

Se ninguém quer laranjas, você não terá sorte na aquisição de bens e serviços. E é improvável que você (e qualquer outra pessoa) trabalhe para o agricultor, a menos que ele concorde em lhe dar alguma outra mercadoria pelo seu trabalho que você possa facilmente trocar pelos bens e serviços que deseja. Se ele não puder, você perderá o emprego e ele perderá o trabalho.

A moeda elimina todos esses problemas. Por ser um meio de troca padronizado que tem valor, pode ser usado para pagar trabalhadores que, por sua vez, podem usá-lo para comprar quaisquer produtos que queiram. E os lojistas podem aceitar moeda deles porque têm a confiança de que podem usá-la para comprar o que quiserem.

Na mesma linha deste cenário imaginário, a célula poderia empregar um tipo de sistema de troca. Em vez de utilizar a ATP como reserva de energia e moeda, a energia libertada quando as ligações químicas das moléculas de “combustível” se quebram, em princípio, poderia ser diretamente utilizada para impulsionar atividades bioquímicas. No entanto, se operações bioquímicas específicas fossem acopladas à quebra de moléculas específicas (ou à quebra de ligações específicas dentro de moléculas específicas), isso levaria a ineficiências à escala molecular, da mesma forma que a troca frustra a eficiência econômica. Processos bioquímicos específicos na célula só poderiam ocorrer se o tipo certo de molécula de “combustível” estivesse presente na célula ou se estivesse nos níveis certos. Por exemplo, se um determinado processo bioquímico exigisse a quebra de uma ligação química específica na molécula de açúcar, a glicose, e se existissem níveis insuficientes de glicose na célula, o processo bioquímico necessário não poderia ocorrer até que outros metabólitos fossem convertidos em glicose.

Esta conversão envolveria muito provavelmente uma série altamente complicada de reações químicas – da mesma forma que múltiplas trocas devem ocorrer numa economia de escambo para satisfazer todos os envolvidos. Na verdade, a ineficiência de uma economia metabólica baseada na troca seria tão extrema que levantaria questões – pelo menos para mim como bioquímico – sobre a possibilidade de vida sem algum tipo de moeda energética.

Além disso, o uso da ATP como moeda energética ajuda a manter processos bioquímicos equilibrados na célula. Da mesma forma que as economias podem ser desaceleradas ou aceleradas por meio do controle da quantidade de moeda, as operações metabólicas na célula podem ser aumentadas ou diminuídas com base nos níveis de ATP. Quando os níveis de ATP estão altos, as vias de captação de energia ficam mais lentas e as vias de consumo de energia aceleram. Quando os níveis de ATP estão baixos, o cenário inverso ocorre com as vias de geração de energia acelerando o seu funcionamento e as vias de consumo de energia abrandando.

 

A Moeda da Energia Bioquímica e o Argumento do Relojoeiro

A notável semelhança entre o papel que a ATP desempenha na economia das células e o papel que a moeda desempenha nas economias humanas permite-nos avançar uma versão do argumento do Relojoeiro para a existência e o papel de Deus na origem e no desígnio da vida.

O teólogo natural britânico William Paley (1743-1805) propôs este argumento destacando as características de um relógio, especificamente a complexa interação de suas peças de precisão com o propósito de indicar as horas. Ele sustentava que os artifícios essenciais ao design do relógio implicavam o trabalho de um projetista inteligente – um relojoeiro. Paley demonstrou que os sistemas em biologia partilham as mesmas características que nos levam a reconhecer um relógio como produto de um designer. Portanto, por analogia, assim como um relógio exige um relojoeiro, a vida também exige um Criador.

No meu livro The Cell's Design (O design da célula), defendo que os mais recentes conhecimentos sobre a estrutura e função das biomoléculas acrescentam nova vitalidade ao argumento do Relojoeiro de Paley. Por exemplo, existem muitos tipos de biomáquinas de nível molecular que são análogas estritas às máquinas feitas pelo homem no que diz respeito à sua arquitetura, operação e montagem. Como exemplo, alguns complexos proteicos, como a ATP sintase (o complexo enzimático que produz ATP a partir de ADP e fosfato), apresentam uma semelhança surpreendente com motores concebidos por seres humanos. Esses complexos de proteínas vêm com rotores, estatores, eixos de transmissão, eixos de comando, turbinas e juntas universais. A relação um-a-um entre as partes das máquinas feitas pelo homem e os componentes moleculares das biomáquinas é surpreendente e justifica ainda mais a conclusão de Paley de que a vida provém do trabalho de um Criador. Podemos acrescentar a descoberta do papel da ATP como moeda energética da célula ao revitalizado argumento do Relojoeiro.

A utilização da moeda para gerar eficiência econômica é uma invenção humana. Na verdade, diria que poderá ser a maior e mais engenhosa invenção humana de todos os tempos – ainda maior que a roda. Se não fosse pela invenção da moeda, economias eficientes seriam impossíveis – e o mesmo aconteceria com a civilização humana. E se a utilização da moeda para gerar eficiência econômica é um projeto humano engenhoso, então a utilização da moeda energética bioquímica deve, também, refletir a engenhosidade de um agente inteligente.

Por que ATP?

Os cientistas reconhecem agora o papel necessário de uma moeda energética bioquímica. Mas por que a ATP foi “selecionado” como moeda energética? Por que não alguma outra biomolécula?

A ATP serve universalmente como a moeda de energia bioquímica. Cada organismo na Terra usa ATP para alimentar suas operações metabólicas. De uma perspectiva evolutiva, este reconhecimento significa que a ATP deve ter sido utilizado como moeda energética da célula no LUCA (o último ancestral comum universal) e talvez nas células que precederam LUCA. Num quadro evolutivo, a utilidade da ATP como moeda energética bioquímica deve ter sido uma invenção precoce.

Muitos biólogos evolucionistas argumentariam que a escolha da ATP como moeda energética da célula foi um acaso. Resultou do resultado de um processo evolutivo não guiado e não direcionado que foi limitado pela história. Em outras palavras, não havia nenhuma bom senso ou razão para a ATP ter sido selecionado como a moeda energética da célula. É apenas o resultado acidental da história evolutiva. Alternativamente, outros pesquisadores propõem que as forças da seleção natural levaram a ATP a ser a escolha ideal (ou quase ideal) como moeda energética da célula.

Acontece que os bioquímicos identificaram várias razões pelas quais a ATP é adequado para o seu papel como moeda bioquímica para a energia da célula. Este fato explica a ascendência da ATP ao seu status de moeda energética universal.

Uma razão está relacionada a outras funções que a ATP desempenha na célula. A ATP não apenas funciona como moeda de energia da célula, mas, junto aos ribonucleotídeos GTP, CTP e UTP, a ATP é um dos componentes básicos do RNA. Esta classe de biomoléculas desempenha um papel crítico na expressão das informações encontradas no DNA. Por exemplo, a maquinaria celular produz RNA mensageiro, copiando a informação contida na molécula de DNA em regiões (chamadas genes). As cópias de RNA, por sua vez, direcionam a produção de proteínas específicas. Essas biomoléculas formam então as estruturas que compõem os componentes da célula e realizam as operações da célula. Ao utilizar um dos blocos de construção do RNA como moeda de energia bioquímica, a expressão genética está ligada ao estado energético da célula. Quando o status energético da célula é baixo, é melhor minimizar a expressão genética em geral. Por outro lado, faz sentido acelerar a expressão de genes que codificam proteínas que desempenham um papel nos processos de captação de energia.  

Em segundo lugar, usar a ATP como moeda energética da célula e como componente básico do RNA leva à simplicidade metabólica. Em vez de ter um conjunto metabólico separado para a moeda energética da célula e, neste caso, os blocos de construção necessários para a biossíntese do RNA, a célula pode contar com um único conjunto de biomoléculas que serve ambas as operações bioquímicas.

Uma terceira razão pela qual a ATP foi escolhido em vez do GTP, CDP ou UTP diz respeito à forma como ele interage com as proteínas. Tanto o CTP quanto o UTP contêm uma pirimidina como nucleobase em vez de uma purina. Como as purinas consistem em dois anéis moleculares fundidos, elas são mais hidrofóbicas (sem afinidade com água) do que as pirimidinas, que consistem em uma única nucleobase de seis membros. O aumento da hidrofobicidade das nucleobases purinas faz com que a ATP e o GTP, como regra geral, interajam mais fortemente com as proteínas do que o CTP ou o UTP, uma qualidade importante para uma molécula que funciona como moeda energética da célula. 

Por uma quarta razão, poderíamos perguntar por que ATP em vez de GTP? A guanina (base nitrogenada do GTP) é feita de átomos de carbono, nitrogênio e oxigênio. Por outro lado, a adenina (base nitrogenada da ATP) carece de átomos de oxigênio em sua estrutura. Esta diferença de composição significa que são necessárias menos etapas biossintéticas para produzir ATP em comparação com o GTP. Como resultado, o uso de ATP como moeda energética da célula leva a uma utilização mais eficiente dos recursos energéticos da célula. Em outras palavras, faz mais sentido usar uma molécula cuja produção seja mais barata do que outra que seja mais cara como moeda energética da célula.

Em suma, parece haver uma justificativa primorosa para a seleção da ATP como moeda energética da célula. Esta percepção significa que a designação da ATP como a moeda energética bioquímica não foi um acidente congelado de um processo evolutivo historicamente contingente. O reconhecimento de uma lógica molecular na ATP como moeda de energia molecular da vida é consistente com duas visões radicalmente diferentes: a ATP como moeda de energia da célula surgiu ou por (1) uma adaptação evolutiva impulsionada pela seleção natural, ou (2) pelo design intencional de um Criador.

Os Processos Evolutivos Podem Gerar um Sistema Monetário Celular?

Afirmo que a escolha intencional de um Criador é a melhor explicação para a seleção da ATP como moeda energética bioquímica. Questiono se processos evolutivos progressivos e graduais poderiam ter produzido um sistema monetário energético. Para compreender por quê, voltemos à analogia das economias humanas. Para que uma moeda seja aceite como reserva universal de valor econômico, deve ser aceite por praticamente todos os intervenientes na economia – na verdade, todos de uma vez. As pessoas que se recusam a usar a moeda não podem participar plenamente na economia, a não ser através da troca. Eles não podem ser verdadeiramente integrados na economia e participariam apenas à margem.

Os mesmos requisitos seriam verdadeiros para a economia celular baseada em ATP. Para que uma célula use ATP para alimentar suas reações metabólicas, todos os processos bioquímicos devem usar ATP como fonte de energia de uma só vez. Aquelas reações bioquímicas que não utilizam ATP não podem participar plenamente da economia celular. Esses processos ainda podem ocorrer, mas funcionariam de maneira aleatória e imprevisível, o que os impediria de contribuir de forma confiável para o metabolismo celular. O fracasso destas atividades metabólicas marginalizadas em contribuir consistentemente para a economia da célula pode ser prejudicial para a célula, especialmente se fizerem parte de operações bioquímicas centrais.

Na verdade, a utilização da ATP como molécula de moeda energética não poderia ter surgido de forma gradual, com algumas reações dependentes da ATP e o resto da troca. A ineficiência das reações de troca sobrecarregaria tanto as operações da célula, que a vida seria impossível. Apesar deste problema, os biólogos evolucionistas e os investigadores da origem da vida ainda procuram uma explicação evolutiva para a origem da ATP como o sistema monetário energético bioquímico.

Revelações da Química Prebiótica

Uma equipe liderada pelo bioquímico Nick Lane, da University College London, adotou uma abordagem diferente para a questão do “por que” sobre a seleção da ATP como moeda energética da célula. Assumindo uma origem evolutiva, eles se perguntaram se os processos químicos – em vez de evolutivos – na Terra primitiva poderiam oferecer uma visão sobre a origem do papel da ATP como moeda energética da célula. [1]

Num estudo anterior, esta equipe mostrou que o acetil fosfato – um agente fosforilante – poderia formar-se sob condições hidrotérmicas suaves a partir da reação do tioacetato (que se formaria razoavelmente em eventos hidrotérmicos na Terra primitiva a partir de sulfureto de hidrogênio e ácido acético) e fosfato inorgânico. O acetil fosfato é modestamente estável e pode sobreviver por várias horas, dependendo do pH e da temperatura. Em outras palavras, este composto tem o equilíbrio perfeito entre estabilidade química e reatividade. O acetil fosfato também pode transferir um grupo fosfato para: (1) ribose para produzir ribose-5-fosfato; (2) adenosina para produzir AMP e (3) ADP para produzir ATP. [2]

A equipe concluiu que a transferência do fosfato do acetil fosfato para o ADP pode ser uma reação preferida que explica o surgimento da ATP como moeda bioquímica universal. Seu raciocínio foi justificado. Eles mostraram que na presença de ferro férrico, o acetil fosfato transferia um grupo fosfato para o ADP. A equipe descobriu que nenhum outro agente fosforilante adicionou com sucesso um grupo fosfato ao ADP. Eles também avaliaram outros íons como catalisadores e descobriram que nenhum deles promoveu a fosforilação do ADP. Finalmente, eles descobriram que o acetil fosfato e o ferro férrico não fosforilavam GTP, CDP e UDP. Os pesquisadores descobriram que essa notável especificidade decorre de interações químicas precisas e corretas que existem exclusivamente para acetil fosfato, ADP e ferro férrico.

Esta descoberta traz implicações profundas. Significa que a utilização de ATP como moeda energética da célula não é um acidente congelado que surge das restrições de uma história evolutiva contingente. Nem é devido à seleção natural. Em vez disso, é devido a uma reação química altamente incomum. Em outras palavras, o uso de ATP como moeda energética da célula – da perspectiva da química prebiótica – foi prescrito pelas leis da natureza.

As respostas da equipe de pesquisa são convincentes:

“O surgimento da ATP como moeda energética universal da célula não foi o resultado de um ‘acidente congelado’, mas surgiu das interações únicas do ADP e do AcP.” [3]

“Isto implica que a ATP poderia ter-se tornado a moeda energética universal da vida, não como o ponto final da seleção genética ou como um acidente congelado, mas por razões químicas fundamentais.” [4]

“Nossos resultados sugerem que a ATP se estabeleceu como a moeda energética universal em um mundo prebiótico e monomérico, com base em sua química incomum na água.” [5]

“Foi muito surpreendente descobrir que a reação é tão seletiva – no íon metálico, no doador de fosfato e no substrato – com moléculas que a vida ainda usa.” [6]

Por mais interessante que esta descoberta possa ser, a química que a equipe de investigação descobriu carece de relevância geoquímica. Existem algumas razões para ser cético quanto à possibilidade de esse processo químico ocorrer na Terra primitiva.

1. É questionável que reações prebióticas geoquimicamente relevantes possam gerar ADP.
2. É questionável que uma fonte de fosfato inorgânico esteja disponível.
3. É questionável que o ferro férrico fosse abundante na Terra primitiva.

Evidência de Design Intencional

Apesar dessas dúvidas, vamos supor que essa reação tenha mesmo ocorrido na Terra primitiva como parte do processo de evolução química.

Se o fizermos, a evidência da teleologia (desenho, propósito) ainda será inegável. É estranho que um processo químico altamente invulgar e correto produza exclusivamente ATP – uma molécula com um conjunto correto de propriedades que é ideal para servir como moeda energética da célula – sob condições prebióticas presumidas. Nem o acidente nem a seleção natural são responsáveis pela origem da ATP. Esta biomolécula parece ser prescrita pelas leis da natureza. Sua existência parece ser intencional. Estas coincidências destacam a concepção e o propósito da ATP como moeda energética bioquímica.

Quando combinamos estas coincidências notáveis, a analogia do Relojoeiro (descrita acima) e o desafio de imaginar como a ATP poderia ter emergido como a moeda energética para a célula através de processos evolutivos, ficamos com apenas uma conclusão razoável: se se adota um modelo de criação ou abordagem evolutiva da gênese da vida, a origem, as propriedades e o papel bioquímico da ATP apontam para a ação necessária que um Criador deve ter desempenhado na origem e no projeto da vida.

E essa conclusão é dinheiro no banco.

Recursos

• Fit for a Purpose: Does the Anthropic Principle Include Biochemistry? {Adequado para um propósito: o princípio antrópico inclui bioquímica?} por Fazale Rana (livro)
• The Cell's Design (Reasons to Believe): How Chemistry Reveals the Creator's Artistry {O design da célula: como a química revela a arte do criador}, de Fazale Rana (livro)

Princípio Antrópico Bioquímico

• “A estrutura ajustada do DNA minimiza tautômeros prejudiciais” por Fazale Rana (artigo)
• “Estrutura de RNA correta aponta para design intencional” por Fazale Rana (artigo)
• “A lógica da replicação do DNA constitui um caso para o design inteligente” por Fazale Rana (artigo)
• “Como o dogma central da biologia molecular aponta para design” por Fazale Rana (artigo)
• “O conjunto ideal de aminoácidos proteicos foi criado por uma mente?” por Fazale Rana (artigo)
• “Uma tabela periódica para estruturas de proteínas revela design bioquímico” por Fazale Rana (artigo)
• “Evidência de que o metabolismo da célula é planejado” por Fazale Rana (artigo)
• “A origem do ciclo de Krebs traz um círculo completo para a criação” por Fazale Rana (artigo)
• “Lógica molecular da cadeia de transporte de elétrons apoia a criação”  por Fazale Rana (artigo)

O argumento do relojoeiro

• “ATP sintase reforça a defesa do design inteligente” por Fazale Rana (artigo)
• “Abordando as preocupações de um crítico e a defesa do design inteligente” por Fazale Rana (artigo)
  

Notas de Fim

1. Silvana Pinna et al., “Uma base prebiótica para ATP como moeda de energia universal, PLoS Biology  20 (4 de outubro de 2022): e3001437, doi: 10.1371/journal.pbio.3001437.
2. Alexandra Whicher et al., “Acetyl Phosphate as a Primordial Energy Currency at the Origin of Life”, Origins of Life and Evolution of Biospheres 48 (3 de março de 2018): 159–79, doi:10.1007/s11084-018-9555- 8.
3. PLOS, “Ancient Chemistry May Explain Why Living Things Use ATP as the Universal Energy Currency” {A química antiga pode explicar por que os seres vivos usam ATP como moeda de energia universal}, ScienceDaily  (4 de outubro de 2022).
4. Pinna et al., “Uma base prebiótica para ATP”.
5. Pinna et al., “Uma base prebiótica para ATP”.
6. PLOS, “Química Antiga Pode Explicar”. 

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Traduzido de Why ATP? A Creation Model Perspective

Etiquetas:

química da vida - modelo criacionista Reasons to Believe - criacionismo (progressivo) da Terra velha