¿Por qué se usa uracilo, en lugar de timina, en el ARN?

Independientemente de la pregunta† de qué vino primero*, el ARN o el ADN, es posible racionalizar la ausencia de timina en el ARN mediante un análisis de costo-beneficio. Usar timina tiene un costo, por lo que debe haber suficientes beneficios para que valga la pena.

Costo de usar timina en lugar de uracilo

El costo más obvio de usar timina es el requerimiento de energía para su síntesis (en términos de poder reductor, NADPH).

Una conversión análoga de rUMP a rTMP (si existiera) incurriría en costos similares. (Puede haber costos adicionales, pero pueden ser polémicos y esto es indiscutible, por lo que será suficiente).

Beneficio de usar timina en lugar de uracilo

Para el ADN , el beneficio es claro y se indica en la pregunta. Al no usar uracilo como complemento de la adenina, el uracilo producido por la desaminación espontánea de la citosina puede reconocerse como anómalo y eliminarse mediante los sistemas de reparación de corrección de pruebas de ADN . Presumiblemente, esto le da al organismo una ventaja (beneficio) al reducir las mutaciones dañinas en el ADN, el material genético.

El ARN no es el material genético de los organismos autónomos contemporáneos. Por lo tanto, las desaminaciones de C a U no reparadas no afectarán ese aspecto de la viabilidad de un organismo. Sin embargo, ¿qué tan serios serán para la célula? Los ARN más grandes y de mayor duración son los ARN ribosómicos estructurales. Tales mutaciones en el ARNr de las células podrían no tener ningún efecto sobre la función de los ribosomas, ya que se cree que gran parte del ARN es estructural. Sin embargo, incluso si lo hicieran, la inactivación de un pequeño porcentaje de los ribosomas de una célula tendría poco impacto en la síntesis de proteínas. Lo mismo ocurre con las moléculas pequeñas de ARNt.

El ARN mensajero plantea un problema diferente, ya que podemos concluir que las proteínas aberrantes hechas de ARNm mutante son peligrosas para la célula por el hecho de que existe un mecanismo de lectura de pruebas para corregir errores en la carga (aminoacilación) de los ARNt. Yo diría que la vida media relativamente corta del ARNm en comparación con la frecuencia de desaminación de la citosina significa que este último proceso no es responsable de una cantidad significativa de ARNm mutante.

Conclusión

Los beneficios de usar timina, junto con un sistema de reparación, en el ARN serían marginales y, por lo tanto, no valdrían la pena el costo energético que esto implicaría.

†Nota al pie: No necesitamos discutir sobre qué ácido nucleico vino primero

Las vías metabólicas actuales para la formación de dTTP a partir de dUTP y la reducción de ribosa a desoxirribosa me sugieren fuertemente que el ARN precedió al ADN en la evolución. (No sugieren nada acerca de si el ARN precedió a la proteína). Sin embargo, la racionalización presentada aquí no requiere esta suposición. Si el ADN vino primero y el ARN inicialmente tenía T en lugar de U, la justificación podría usarse para argumentar por qué el ARN cambió las bases de T a U. De hecho, la justificación puede ser empleada por aquellos que ni siquiera creen en la evolución; podrían argumentar ( y probablemente sí) que alguna deidad creó las cosas de esa manera porque era más eficiente en términos de costo-beneficio.

Responder esta pregunta con precisión es difícil ya que toca la hipótesis del origen de la vida. En la Hipótesis del Mundo del ARN , el ARN es la "vida" original que es capaz de catalizar su propia autorreplicación. Hay varias evidencias de apoyo a esta hipótesis. La estructura de uracilo es relativamente fácil de sintetizar en reacciones que plausiblemente podrían tener lugar en las primeras condiciones de la Tierra. Podría ser que el ARN usara Uracil simplemente debido a la abundancia de Uracil en la naturaleza. Este parece ser el caso del uso de Adenina en ATP. La guanina también se puede usar en una molécula transportadora de energía GTP, pero esos casos son ampliamente superados en número por ATP.

Sin embargo, no existe una teoría establecida de por qué el ARN usa uracilo en lugar de timina, o el ADN usa timina en lugar de uracilo. Sólo una gran cantidad de pruebas circunstanciales. El argumento inverso para el uso de timina por parte del ADN también podría respaldar el uso de uracilo por parte del ARN. En un entorno competitivo, una mayor tasa de mutación proporcionada por la desaminación de citosina a uracilo puede haber sido una ventaja para promover cambios rápidamente.