Estudo de reações de formação de nucleotídeos – uma investigação teórico-computacional das propostas do RNA-World
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Coorientador(es)
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Eberlin, Marcos Nogueira
Hernandes, Marcelo Zaldini
Passos, Raimundo Ribeiro
Oliveira, Cíntia Beatriz de
Hernandes, Marcelo Zaldini
Passos, Raimundo Ribeiro
Oliveira, Cíntia Beatriz de
Pós-Graduação
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Universidade Federal do Amazonas
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Direito de acesso
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Resumo
A origem da vida na Terra é um tema interdisciplinar amplamente debatido, cuja hipótese central está associada à evolução química. Essa proposta sugere que a vida teria emergido a partir de reações entre compostos presentes na Terra primitiva, ao longo do tempo. No entanto, na tentativa de responder como a vida surgiu, essa hipótese levanta novas questões fundamentais, como a do aparecimento do código genético. Nesse contexto, a teoria do RNA-World se apresenta como a mais promissora para explicar a origem genética, postulando que reações prebióticas levaram à formação de fitas rudimentares de RNA a partir de nucleotídeos, que posteriormente evoluíram para estruturas mais complexas. Apesar de seu potencial, essa teoria enfrenta críticas relacionadas ao baixo rendimento na formação de nucleotídeos e à instabilidade de suas reações em meio aquoso, considerando o sistema reacional com seus blocos fundamentais, nucleobases (adenina, guanina, citosina e uracila), fosfatos (H₃PO₄, H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻, PO₄³⁻) e o açúcar D-ribose. Diante dessas limitações, trabalhos teóricos têm buscado explorar as propriedades energéticas das reações envolvidas na síntese de nucleotídeos, propondo novos caminhos reacionais para a origem da vida prebiótica. Inserido nesse cenário, o presente estudo tem como objetivo investigar a espontaneidade das reações de formação de nucleotídeos a partir de seus blocos fundamentais, tanto em fase gasosa quanto em solução aquosa. Para isso, foram empregados os funcionais B3LYP e M06-2X, com a base 6-311+G(2d,p), visando caracterizar as estruturas moleculares, propriedades termodinâmicas e cinéticas, e avaliar a viabilidade das reações em ambos os meios. Além disso, foram explorados índices de reatividade química e as funções de Parr, a fim de identificar mecanismos reacionais plausíveis. Os resultados confirmam a instabilidade das reações em solução aquosa, evidenciada pela redução do número de processos possíveis em comparação à fase gasosa e pelas elevadas barreiras cinéticas observadas em presença de água. Embora algumas formações de nucleotídeos de adenina, guanina, citosina e uracila mostre-se espontânea na fase gasosa, persiste a dificuldade em explicar a presença de seus reagentes nesse ambiente. Quanto aos mecanismos, as reações entre nucleobases e D-ribose tendem a seguir uma via SN1, na qual a perda de água pela ribose gera um cátion oxocarbênio. Já as reações entre D ribose e fosfatos podem ocorrer tanto por uma via SN1, com formação de um intermediário metafosfato, quanto por uma via SN2, caracterizada por ataque direto entre os reagentes. O pH ideal para tais reações varia de ligeiramente ácido a básico.
Abstract
The origin of life on Earth is a widely debated interdisciplinary topic, whose central hypothesis is associated with chemical evolution. This proposal suggests that life may have emerged from reactions among compounds present on the primitive Earth over time. However, in attempting to answer how life arose, this hypothesis raises new fundamental questions, such as the emergence of the genetic code. In this context, the RNA World theory appears as the most promising explanation for genetic origins, postulating that prebiotic reactions led to the formation of rudimentary RNA strands from nucleotides, which later evolved into more complex structures. Despite its potential, this theory faces criticism related to the low yield of nucleotide formation and the instability of their reactions in aqueous medium, considering the reactional system with its fundamental building blocks, nucleobases (adenine, guanine, cytosine, and uracil), fosfatos (H₃PO₄, H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻, PO₄³⁻), and the sugar D-ribose. In light of these limitations, theoretical studies have sought to explore the energetic properties of the reactions involved in nucleotide synthesis, proposing new reaction pathways for the prebiotic origin of life. Within this framework, the present study aims to investigate the spontaneity of nucleotide formation reactions from their fundamental building blocks, both in the gas phase and in aqueous solution. For this purpose, the B3LYP and M06-2X functionals were employed, with the 6-311+G(2d,p) basis set, in order to characterize molecular structures, thermodynamic and kinetic properties, and to assess the feasibility of the reactions in both environments. Additionally, chemical reactivity indices and Parr functions were explored to identify plausible reaction mechanisms. The results confirm the instability of reactions in aqueous solution, evidenced by the reduction in the number of possible processes compared to the gas phase and by the high kinetic barriers observed in the presence of water. Although some nucleotide formations of adenine, guanine, cytosine, and uracil appear to be spontaneous in the gas phase, the difficulty in explaining the presence of their reagents in this environment persists. As for the mechanisms, reactions between nucleobases and D-ribose tend to follow an SN1 pathway, in which water loss from ribose generates an oxocarbenium cation. Meanwhile, reactions between D-ribose and fosfatos may occur either through an SN1 pathway, with the formation of a metafosfato intermediate, or through an SN2 pathway, characterized by direct attack between the reactants. The ideal pH for such reactions ranges from slightly acidic to basic.
Descrição
Palavras-chave
Termo controlado
RNA - Síntese; Físico-química; Química, Física e teórica; Vida - Origem
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS)
Citação
ARAUJO JUNIOR, Earle Silva. Estudo de reações de formação de nucleotídeos – uma investigação teórico-computacional das propostas do RNA-World. 2025. 177 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal do Amazonas, Manaus, 2025.
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