¿Por qué (casi) todos los portadores de energía contienen adenina?

A diferencia de esta pregunta que es específica solo para ATP, esta incluye todos los portadores de energía.

Cuando pienso en moléculas portadoras de energía comunes, puedo pensar en el trifosfato de adenosina (ATP), el dinucleótido de nicotinamida y adenina (fosfato) (NADH/NADPH), el dinucleótido de flavina y adenina (FADH 2 ), la S- adenosil metionina, la coenzima A (derivada de la cisteína , ácido pantoténico y ATP ), etc. Recordando excepciones, sólo puedo pensar en la biotina (carboxilada) y la uridina difosfato de glucosa. Solo hablando de ATP, podríamos haber dicho que su preferencia sobre otros es solo una cuestión de suerte. Pero cuando tantos portadores contienen adenina, tiene que haber alguna selección frente a otros portadores de energía (¿o la adenina tuvo tanta suerte?).Tenga en cuenta que cuando digo 'portadores de energía comunes', excluyo GTP, CTP, TTP y UTP ya que no se usan con mucha frecuencia (o al menos su uso se limita solo a algunas reacciones metabólicas, a diferencia del ATP, que encuentra su uso en casi todas las reacciones metabólicas). reacciones que requieren energía).

¿Por qué la mayoría de las moléculas transportadoras de energía contienen adenina (o su derivado) en lugar de cualquier otra nucleobase?

Esta pregunta está abierta a discusión, es decir, todos pueden publicar su opinión (respaldada científicamente) como respuesta, mientras que ninguna de esas respuestas será seleccionada debido a la falta de pruebas concluyentes, que es muy probable que permanezcan esquivas para siempre.

Sé que es probable que preguntas como esta obtengan respuestas basadas principalmente en opiniones, pero aún deseo mantenerlo en este sitio ya que algunas opiniones pueden ser científicamente más sólidas y pueden obtener referencias de respaldo ahora o más adelante.
¿Qué se usa comúnmente si el GTP se produce durante el ciclo del citrato y se necesita para sintetizar cada proteína que existe en una célula?
@adjan en ese sentido, incluso CTP, UTP y TTP encuentran usos en alguna parte. Pero yo estaba hablando de la diversidad de funciones, en las que ATP está de lejos en la cima. Pero editaré ese punto para que quede más claro.
@adjan: solo para que conste, el GTP producido en el ciclo TCA no se usa para la síntesis de proteínas citoplasmáticas, ya que se produce en la mitocondria. Sin embargo, estoy de acuerdo en su importancia en la síntesis de proteínas, aunque, paradójicamente, no se usa para la formación de enlaces peptídicos, sino que se cree que es un dispositivo de sincronización como en otros sistemas de proteínas G.
@David, bueno, no quise dar a entender que era el mismo GTP que se usó para ambos, simplemente descubrí que estos son dos procesos muy esenciales en la célula.

Respuestas (3)

Como comenta @canadianer, esta pregunta no tiene respuesta y está a punto de clasificarse como 'basada en opiniones'. Sin embargo, debido a que no encuentro atractiva la respuesta del OP, he establecido algunos puntos propios. Difícilmente una respuesta, más una lista de alternativas como alimento para el pensamiento.

Puedo imaginar que se elija adenina por una de las siguientes razones (otros pueden sugerir adiciones):

  • Funcionalmente más adecuado
  • ¿Estaba allí primero?
  • Más fácil o más barato de sintetizar originalmente (lo que explicaría por qué estaba allí primero, si este fuera el caso)
  • Elección aleatoria

Mirémoslos a su vez.

Adenina funcionalmente más adecuada

No parece haber nada en la función de NAD que sugiera que el anillo de adenina no podría haber sido reemplazado por otra de las bases, y sabemos que la energía libre de hidrólisis de los enlaces beta-gamma fosfodiéster de GTP, CTP y UTP puede utilizarse en una forma análoga a la del ATP, por lo que esto no parece muy probable.

Sin embargo, uno se pregunta si un anillo de purina (en lugar de una pirimidina) transmite algún tipo de ventaja en el sentido de que el otro trifosfato basado en purina, GTP, se usa tan ampliamente en el proceso (antiguo y esencial) de biosíntesis de proteínas. Tal vez la mayor área de contacto del anillo de purina favoreciera la interacción con las proteínas (si no se discute que éstas llegaron más tarde).

Adenine estuvo allí primero.

Se podría considerar que en las primeras etapas de la evolución de la vida las bases (o nucleósidos y nucleótidos) surgieron una a la vez, en cuyo caso la primera podría haberse usado para NAD, etc. y se quedó adherida. También se podría considerar si un mundo de dos bases precedió a un mundo de cuatro bases. Si A y U (pero no G y C) estaban en el primer ARN (que puede haber sido monocatenario, por lo que no veo que el contenido de GC de los termófilos contemporáneos sea relevante), entonces puede haber sido una elección entre A y U, que A podría haber ganado porque U está sujeto a desaminación espontánea (o por el argumento de interacción de proteínas mencionado anteriormente).

Adenina como la más fácil o energéticamente más barata de sintetizar originalmente

Claramente, la primera base podría haber sido la preferida por la química en relación con su síntesis. Es poco probable que la biosíntesis contemporánea refleje la biosíntesis primitiva, pero es divertido observar que la biosíntesis de adenosina es la única que no involucra la oxidación dependiente de NAD. Por supuesto, todas las biosíntesis contemporáneas utilizan pirofosfato de ribosilo, que requiere ATP en su síntesis a partir de fosfato de ribosa. (¡Hablando de pollo y huevo!)

Elección aleatoria que se quedó

En ausencia de una explicación más sofisticada, entonces podría ser solo esto. Una vez que se hizo una elección y las enzimas evolucionaron para usar NAD, etc., la elección de adenina no se pudo cambiar (o no hubo una ventaja funcional lo suficientemente fuerte para hacerlo).

Posdata: ¿Cuándo y cómo apareció NAD en escena?

Una de las razones por las que no estoy a favor de la respuesta del OP es porque prevé que NAD surja después de los genomas de ADN y como una entidad separada. Sugeriría que es probable que el ARN precediera al ADN y que el ARN catalítico fuera responsable de algunas de las primeras óxido-reducciones. (Los primeros probablemente fueron catalizados por centros de hierro y azufre, inorgánicos o asociados con proteínas simples). Parece factible que el anillo de nicotinamida fuera una elaboración de una ribozima que finalmente fue reemplazada casi por completo por proteína. La adenosina se retuvo con la nicotinamida funcional porque podía interactuar mejor con la proteína. Gran especulación, y no explica por qué la adenina fue la base elegida, sino un antídoto para pensar que NAD evolucionó en la forma completamente desarrollada que vemos hoy.

@tomd — Gracias. Soy bastante ignorante sobre ese tipo de cosas, lo cual es bastante vergonzoso ya que ofrecí una especie de respuesta. Pero sugiere un enfoque diferente al del cartel.
+1 aunque necesitaría obtener algunos documentos de respaldo, como el que sugirió @tomd. No deseaba obtener respuestas completamente especulativas (al menos algunas de las afirmaciones deben estar respaldadas de una forma u otra) en cuyo sentido "termófilos contemporáneos" parece más relevante que "tal vez la adenina fue primero" (aunque yo no estaba t hablando de termófilos 'contemporáneos' en mi respuesta).
Sin embargo, creo que gran parte de la respuesta de David fue solo de sentido común. Los argumentos de "adenina fue primero" y "fue aleatorio" me parecen perfectamente racionales y sería casi imposible justificarlos con evidencia.
@jam si digo "se prefiere la adenina porque digo que lo es" me parece perfectamente racional, pero tampoco hay forma de que pueda probarlo. Simplemente dar puntos de sentido común como argumentos no es suficiente, no sea que todo en biología pueda ser justificado por el sentido común. No tengo ningún problema con la respuesta de David, solo quiero decir que no entiendo tu perspectiva.
Agregué una posdata que es aún más especulativa que la parte principal de mi respuesta. @another'Homosapien' solicita "afirmaciones de estar respaldadas de alguna manera"; esto no es una afirmación, es un conjunto de ideas exploradas en el contexto de los fósiles que tenemos de la química de la vida temprana. No es para que el cartel acepte o rechace, no es para eso que están las preguntas aquí, es para que las partes interesadas lean (y voten a favor o en contra si lo desean). De hecho, el desarrollo de la oxiorreducción en general es probablemente un área más fructífera, aunque mi propia química no está realmente a la altura.
@david Quise decir simplemente respaldar cualquiera de sus afirmaciones si las especulaciones en su respuesta pueden estar relacionadas con ellas (algo así como "Sé que posiblemente tuvimos A [vea esto], así que especulo A -> B -> C y C es el escenario actual"). Agradezco que haya mencionado otra posibilidad en su respuesta, y sé que no puede respaldarla.

Una de las razones por las que la adenina es, con mucho, el componente más común en los portadores de energía podría ser su menor utilidad en el ADN. Naitoh (2008) también describe esta opinión. Teniendo en cuenta las condiciones en la tierra cuando habría evolucionado la primera vida, esto se vuelve fácil de conceptualizar. Naitoh (2008)comparó los ARN de muchas especies diferentes de hipertermófilos y descubrió que contenía un mayor porcentaje de guanina y citosina en lugar de adenina y uracilo. Sugirieron que esto podría deberse a que la guanina y la citosina forman pares de bases más fuertes que la adenina y el uracilo. Así, mientras que la guanina y la citosina se preferían como constituyentes del ADN y/o del ARN, la adenina y el uracilo encontraron lugar en otros procesos. Si bien el uracilo se habría vuelto utilizable en las reacciones de generación de polisacáridos, la adenina habría sido la opción preferida para las moléculas transportadoras de energía. PD: también podríamos aplicar la misma hipótesis con un virus dsRNA que podría haber desarrollado un ARN rico en GC y haber dejado más contenido de AU en su huésped. De esta manera, parece más probable que este proceso provoque la acumulación de AU en el huésped.

Para dar una mejor idea de lo que podría estar pasando, supongamos que hay un organismo unicelular con la siguiente secuencia de ADN:

5'-GCATGCATGCATGCAT-3'
3'-CGTACGTACGTACGTA-5'

y algunos nucleótidos libres, supongamos 5 GTP + 5 CTP + 5 ATP + 5 TTP. Ahora, dado que G y C se ven favorecidos debido a la mayor estabilidad que brindan al ADN, eventualmente reemplazarían algunos de los A y T en el ADN, que luego se convertirían en:

5'-GCGCGCATGCGCGCAT-3'
3'-CGCGCGTACGCGCGTA-5'

dando algunos nucleótidos libres como 1 GTP + 1 CTP + 9 ATP + 9 TTP. Estos ATP y TTP adicionales podrían preferirse en otras reacciones sobre GTP y CTP debido a su mayor disponibilidad. Ahora, podría ser una mera casualidad o una mejor funcionalidad de la adenina (como dice otra respuesta) por lo que se eligió sobre la timina (o el uracilo).

Por qué muchos otros portadores de energía contienen adenina, lo siguiente es solo especulación. Partiendo de la suposición de que los trifosfatos de nucleótidos fueron las primeras moléculas transportadoras de energía (dado que son los precursores de los materiales genéticos), se habrían derivado para muchos otros procesos. Y en algunos de esos procesos, se habrían incorporado en otra molécula de tal manera que la nueva molécula formada también habría actuado como una molécula portadora de energía. Por ejemplo, la biosíntesis de NAD + (nicotinamida adenina dinucleótido, aunque técnicamente es un ion hidruro, es decir , portador de H ) requiere ADP ribosa como precursor ( Wikipedia ). Vea el diagrama a continuación para la ruta de biosíntesis (de PNAS ):

biosíntesis de nadh

El dinucleótido de flavina y adenina (FAD) también se sintetiza de manera similar. Vea este diagrama (de Wikipedia ):

biosíntesis de moda

A partir de esto, podemos sugerir que el ATP alguna vez actuó como sustrato en una reacción cuyo producto (o intermediario) era NAD + /FAD. Esta molécula resultó ser una molécula portadora de energía útil. También podríamos explicar la presencia de adenina en otros portadores de energía a través de esta hipótesis.

Entonces, ¿por qué no NUDH? En mi opinión, esto realmente no responde la pregunta (que en realidad no tiene respuesta).
@canadianer porque se prefiere UTP en la reacción de síntesis de polisacáridos y ATP sería el único transportador que quedaría para reaccionar con NaMN (como digo, esto es pura especulación). ¿Y quién dice que esta pregunta puede ser respondida? Si pudiera ser, entonces no habría necesidad de una publicación de discusión. Y obviamente, su propia opinión es muy bienvenida como otra respuesta, que ya he dejado claro en la pregunta ;-)
También NUDH existe , al menos in vitro : P
porque se prefiere UTP en la síntesis de polisacáridos De acuerdo, pero la pregunta es ¿por qué? Sinceramente, la única razón por la que no voté para cerrar esta pregunta es porque usted es un usuario experimentado, lo que quizás sea un desafortunado doble rasero que creo que otros también están siguiendo. Ciertamente, las respuestas se basarán en opiniones, lo cual está explícitamente fuera de tema en este sitio. Tampoco estoy seguro de que esta pregunta sea lo suficientemente diferente de la que vinculaste para justificarla.
@canadianer Sé que la pregunta se basa principalmente en opiniones. Todo lo que quería tener era una publicación de discusión solo para conocer las diferentes teorías y opiniones presentes sobre esto. Esto es lo que he tratado de dejar claro en la pregunta misma: ninguna de las respuestas publicadas será seleccionada ya que ninguna de ellas puede demostrarse como cierta. Es muy similar a la pregunta "por qué evolucionan algunos malos rasgos": simplemente porque lo hacen, no hay nada que lo detenga, lo mismo aquí. Y sí, por qué 'adenina' es un componente de muchos vectores de energía es ciertamente diferente de por qué 'ATP' es el vector de energía preferido;)
¿Está argumentando que si los primeros genomas tuvieran un GC alto, habría un exceso de adenina? Si es así, no sigo este argumento.
@david sinceramente (sin resentimientos, si lo parece) espero que sepas la diferencia entre argumento y especulación. Nadie puede probarlo, todo lo que podemos hacer es criticar. Por cierto, si tú y @ canadianer tienen otra teoría en mente, ¿por qué no publicarla como respuesta? espero mas respuestas :)
Acabo de publicar mi propia respuesta, pero quería ser claro acerca de su respuesta. No lo critico como especulación, pero quiero dejar claro que lo entiendo antes de criticarlo con fundamentos científicos (especulativos). Por ejemplo, si hubiera poca necesidad de adenina, no veo por qué se produciría en exceso, según entiendo (o malinterpreto) que está especulando.
@david suponga que tiene un ARN como 5'-GCAUGCAUGCAUGCAU-3' Reemplaza algunos As y Us con Gs y Cs (lo que podría haber hecho la evolución) y tiene 5'-GCGCGCAUGCGCGCAU-3' + 2 A + 2 U que puede ser utilizado en otro lugar. Esta es mi especulación. comento tu respuesta...
ESTÁ BIEN. Ahora que lo ha aclarado, permítame presentarle mi crítica a su hipótesis. Mi razón principal es que no veo por qué la síntesis de adenina no estaría regulada por la demanda, es decir, por algún tipo de inhibición por retroalimentación. Parecería que tendría que postular que la regulación no se había desarrollado entonces, pero al reproducir detalladamente las vías contemporáneas, esto parece un alegato especial. En cualquier caso, creo que si un mundo de ARN precediera a un mundo de ADN, esperaría que NAD hubiera surgido en el mundo de ARN, para lo cual la adenina de NAD me parece la prueba irrefutable. El mundo del ADN parece demasiado tarde.

Otra razón que podría haber jugado un papel crucial en la preferencia por la adenina podría ser su mayor estabilidad sobre otras nucleobases.

Dividiendo las nucleobases en purinas (A, G) y pirimidinas (C, T, U), veamos primero las pirimidinas. Es un hecho bien establecido que las pirimidinas son más propensas al daño, especialmente al daño causado por la radiación UV. Se sabe que debido a la radiación ultravioleta, las pirimidinas forman dímeros, como el dímero de citosina, el dímero de timina y el dímero de uracilo (ver Wikipedia ). Además, las investigaciones han concluido que una vez que se pierde la aromaticidad de una pirimidina, su posición C4 se convierte en un punto de acceso para un intermedio tetraédrico, cuya degradación puede causar problemas importantes, como roturas de cadenas de ADN ( Lin et al , 2014 ).

En cuanto a las purinas, se ha demostrado que la guanina es más propensa al ataque covalente que la adenina. Podría deberse a las diferentes distribuciones de carga electrónica en las dos bases. Los sitios O6, N7 (en el surco mayor), N1, N2 y N3 (en el surco menor) son los sitios preferidos para los ataques covalentes ( Neidle, 2002 ). Este punto también recibe apoyo del hecho de que las purinas modificadas más comunes, xantina y 7-metilguanina, son en realidad las formas modificadas de guanina (ver Wikipedia ), lo que nuevamente significa una mayor estabilidad de la adenina sobre la guanina (aunque la hipoxantina está hecha de adenina, pero la reacción es de varios pasos y requiere muchas enzimas).

¿Por qué hablar de estabilidad?

La pregunta más obvia que surge ahora es ¿por qué estamos hablando de estabilidad? Si una nucleobase es más estable, debería ser un componente preferido del ácido nucleico (lo que contradice mi propia afirmación en otra respuesta).Para responder a esta parte, estamos hablando de estabilidad en diferentes contextos en diferentes respuestas. En esta respuesta, hablamos de la estabilidad de la nucleobase en sí, mientras que en la otra respuesta hablamos de la estabilidad general que la nucleobase proporciona al ácido nucleico. Si se modifica una nucleobase en un ácido nucleico, se puede reparar fácilmente a través de diferentes mecanismos de reparación (piense en los mecanismos de reparación de rotura de cadena y dímeros). Por otro lado, si se modifica una nucleobase libre (en forma de NTP o dNTP), puede causar daños graves a otros componentes de la célula. Otro punto es que cuando se modifica una nucleobase, su estructura cambia. Esta estructura modificada puede evitar que otras proteínas reconozcan esta molécula. Por ejemplo, si la guanina hubiera sido un componente del NADH (que llamaríamos NGDH), podría modificarse a xantina (¿formando NXDH...?). Ahora bien, los sitios de unión de NGDH de diferentes proteínas no serían capaces de reconocer esta molécula, y dado que esta molécula no es parte del ADN, los mecanismos de reparación tampoco ayudarían mucho aquí. Por lo tanto, la nucleobase más estable (adenina) obtiene preferencia como componente de diferentes portadores de energía debido a su estabilidad también.

PD: el punto de estabilidad también puede explicar por qué GTP también se usa en algunas reacciones metabólicas cruciales, como la síntesis de proteínas y el ciclo TCA, ya que la guanina es la nucleobase más estable después de la adenina.

¿Las pirimidinas libres forman dímeros en solución a un ritmo apreciable?
@canadianer es un buen punto, aunque no pude encontrar ningún documento al respecto (tal vez nadie más haya pensado en esto). Supongo que la tasa no sería apreciable (pero seguramente sería detectable). Pero, el punto aquí es que la dimerización no es la única forma en que las pirimidinas 'activas' pueden causar daño.
¿Por qué (casi) todos los portadores de energía contienen adenina?
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