Teoria da Informação e Criacionismo: Spetner e a Informação Biológica

Introdução

O Dr. Lee Spetner é um teórico da informação que escreveu um livro alegando que mutações aleatórias não podem produzir o tipo de mudanças "informacionais" na biologia que supostamente é exigido pela evolução (1). É interessante que, em um livro supostamente sobre teoria da informação, a formulação clássica da teoria da informação de Shannon e Weaver (2) não seja mencionada. A noção de Spetner sobre informação na biologia foi adotada por vários grupos de negadores da evolução, e embora outros tenham produzido críticas específicas ao seu trabalho (3,4), não há uma análise geral e abrangente dos seus argumentos.

Nesta revisão, considerarei se as métricas de Spetner podem ser válidamente aplicadas à biologia e como Spetner as aplica efetivamente a exemplos do mundo real. Embora seus argumentos sejam superficialmente plausíveis, uma análise mais próxima com algum conhecimento de bioquímica revela falhas significativas. Primeiro, descreverei brevemente a métrica de informação de Spetner; em seguida, mostrarei que 1) as métricas de Spetner dependem de um mecanismo de ligação que não ocorre na natureza, 2) que as métricas de Spetner exigem que substâncias se liguem a enzimas de forma "tudo ou nada", enquanto os substratos reais não se ligam dessa maneira. Além disso, mostrarei que Spetner é inconsistente em sua aplicação das suas métricas. No exemplo do Xilitol, ele não utiliza efetivamente a medida que desenvolve, e no exemplo da estreptomicina, ele muda para uma métrica diferente, quando sua métrica original mostraria um aumento de informação. Finalmente, mostrarei que seu modelo de "evolução direcionada" baseia-se em um mal-entendido sobre uma forma de mutação aleatória.

• Visão geral das métricas de Spetner
  • Ligação enzima-substrato e especificidade de Spetner
  • A especificidade de ligação de Spetner não é apenas uma propriedade de enzimas
  • Os requisitos de Spetner não são encontrados em sistemas do mundo real
• Aplicação a sistemas biológicos reais:
  • O exemplo de palavra-enzima de Spetner
    • A informação de Spetner é proporcional ao comprimento da string de ligação
    • A informação de Spetner depende da ligação "tudo ou nada"
  • Palavras-enzimas comparadas a proteínas reais
    • O número de ligantes ligados não está simplesmente relacionado ao comprimento da string de ligação
• Exemplos de Spetner
  • Metabolismo de xilitol
  • Ligação de estreptomicina
    • Ribossomos mutantes resistentes a antibióticos têm maior informação de Spetner
• Spetner e mutação "direcionada"
• Conclusões
• Referências

Visão geral das métricas de Spetner

Teorias clássicas da informação, como a teoria da Informação de Shannon, têm sido aplicadas à biologia por vários autores. Aqueles que abordaram a evolução concluíram que a evolução pode, sob circunstâncias apropriadas, aumentar a "informação" no sentido de Shannon (por exemplo, veja 13). O Dr. Spetner, no entanto, afirma que mutações aleatórias não podem aumentar a "informação". Em sua alegação, Spetner utiliza duas métricas separadas de informação. Uma é uma medida de "expectativa" pela qual um conjunto de diferentes strings tem menos informação que um conjunto de strings idênticas. Isso surpreenderá pessoas familiarizadas com a informação Shannon Weaver padrão ou Informação algorítmica, mas é uma formulação válida sob circunstâncias particulares. Não entrarei nisso em profundidade porque o próprio Spetner não o faz.

Ele também usa uma medida de informação de "endereçamento". Isso é bastante simples de entender.
"Brisbane" tem menos informação do que
"Cannon Hill, Brisbane", que tem menos informação do que
"Richmond Road, Cannon Hill, Brisbane", que tem menos informação do que
"666, Richmond Road, Cannon Hill, Brisbane"

Existe uma maneira formal de fazer isso usando endereços binários para elementos de matriz em matrizes n x n (ou n x n x n). É um pouco forçado mapear isso na ligação ao substrato, mas não há nada inerentemente mais louco nisso do que mapear a transmissão de telegrafia na replicação do DNA. Uma característica chave dessa medida é que a "informação" está diretamente relacionada ao comprimento da string. Ou seja, uma string mais longa possui mais informação tanto na formulação de "palavra-enzima" (veja abaixo) quanto na formulação de endereçamento binário. Outra característica importante é que a ligação é "tudo ou nada". Discuto as implicações disso em detalhes em o exemplo de palavra-enzima de Spetner.

Ligação enzima-substrato e especificidade de Spetner

As enzimas são catalisadores proteicos que promovem reações químicas nos compostos que se ligam a elas (seus substratos). Como as enzimas se ligam fortemente apenas a um número muito reduzido de químicos entre as multitudes presentes em seu ambiente, elas são consideradas altamente específicas. Spetner afirma que a especificidade enzimática é análoga à especificidade de endereçamento, e que enzimas com muitos substratos possuem menos informação do que enzimas com um único substrato. Em sua explicação, ele utiliza um experimento mental de "enzima-palavra" em vez de um exemplo real, e examinaremos este argumento em detalhes mais tarde. No entanto, à primeira vista, parece um argumento razoável. A ligação enzima-substrato (ou hormônio-receptor) é comparada a um mecanismo de "chave e fechadura", onde o substrato é a chave e a enzima é o fechadura. (importante ressalva: tanto o fechadura quanto a chave são "flexíveis", pois as enzimas e seus substratos são parcialmente flexíveis).

Figura 1: A ligação de ligantes a proteínas como enzimas ou receptores hormonais tem sido comparada a um arranjo de "chave e fechadura", onde a molécula se encaixa em um espaço na proteína de maneira semelhante a uma chave se encaixando em um fechadura. Embora seja uma analogia útil para nos ajudar a visualizar as coisas, essa imagem pode ser enganosa, como veremos, pois várias interações de ligação são importantes, não apenas "bolbos e relevos" físicos.

A especificidade de ligação de Spetner não é apenas uma propriedade das enzimas

Observe que o argumento de Spetner é geral e aplica-se não apenas às enzimas, mas a qualquer sistema de ligação específico, como interações hormônio/receptor, ligação entre elementos do citoesqueleto, etc., independentemente de o substrato ser atuado enzimaticamente. Na discussão a seguir, usarei o termo "ligante", que abrange tudo o que se liga especificamente a um sítio aceitador, incluindo substratos.

Observe ainda que há uma mudança sutil no argumento. É fácil ver que o endereço para "666, Richmond Road, Cannon Hill, Brisbane" requer mais informações para ser especificado do que "Brisbane", mas a alegação de que as enzimas têm mais informações porque se ligam a apenas um substrato é semelhante à alegação de que "666, Richmond Road, Cannon Hill, Brisbane" tem mais informações do que "Brisbane" porque são entregues menos cartas para lá do que para "Brisbane". Esta é uma alegação algo diferente, de que a informação do objeto físico em um endereço tem a informação necessária para especificar aquele endereço.

Os requisitos de Spetner não são encontrados em sistemas do mundo real

Mas aceitar a alegação de Spetner, pode parecer intuitivamente óbvio que uma fechadura mais específica que aceita apenas uma chave tem mais informação do que uma fechadura menos específica que aceita muitas chaves. Isso está na verdade incorreto, mas em vez de entrar nisso aqui, veja este artigo sobre criptografia e chaves mestras : AVISO arquivo de 5Mb. Por enquanto, vamos aceitar isso. Analogamente, poderíamos esperar que uma enzima seja mais específica porque tem mais pontos de ligação do que uma enzima que é menos específica (e também há a suposição não declarada de que as enzimas de substrato único são mais importantes do que as enzimas de substrato múltiplo. Elas não são).

Por exemplo, poderíamos imaginar que um sítio ativo que utiliza 4 pontos de ligação possui mais informação do que um com dois pontos de ligação

Pular gráfico de texto

X--O     O--Y        X--0     O--Y
    \   /                \   /
    DRUG                 DRUG
    /   \
Z--N     N--Y

Onde X, Y e Z são aminoácidos no sítio ativo das enzimas.

Infelizmente, a biologia não funciona dessa maneira. O número de pontos de ligação é importante, em certa medida. Mas outras propriedades físicas da enzima são igualmente importantes. Por exemplo, considere as enzimas betalactamase que degradam o antibiótico cefalosporinas. Uma variante mutante pode degradar cefalosporinas estendidas (onde a molécula foi tornada mais volumosa), enquanto a enzima normal não consegue. A variante mutante não tem menos pontos de ligação que a enzima normal, mas possui uma dobradiça mais flexível, de modo que o grupo catalítico possa alcançar o anel lactâmico com mais facilidade.

Pior ainda, você pode ter substratos que se ligam no mesmo número de pontos, mas que se ligam com mais firmeza porque você substituiu um átomo de cloro por um átomo de oxigênio e alterou a distribuição de elétrons na molécula do fármaco.

Especificidade de ligação não é algo simplesmente análogo ao "endereçamento", envolve forma física (que é passível de uma análise de endereçamento) e propriedades físico-químicas (que não são simplesmente passíveis de uma análise de endereçamento, especialmente quando as propriedades são as do substrato) e propriedades estruturais da enzima, como flexibilidade de dobradiça ou distorção de hélice, que também não são passíveis de uma análise de endereçamento (uma hélice que se flexiona para a direita tem mais informação do que uma hélice que se flexiona para a esquerda?)

Em suma, qualquer análise da "informação" de uma proteína que aborde a especificidade de ligação ao substrato, embora superficialmente plausível, é ingênua no extremo, porque a especificidade do substrato não se presta à análise proposta (especialmente quando parte dessa informação está no substrato). Além disso, sua análise trata apenas de enzimas de substrato único; como ele lida com enzimas de dois substratos e dois produtos do tipo bi-bi-aleatório, não sei; ele parece achar que todas as enzimas devem ser como (algumas das) enzimas do ciclo do ácido cítrico de Krebs.

Após ter delineado de forma geral por que a métrica de Spetner não é aplicável à ligação proteína-ligante, na próxima seção examinarei em profundidade o exemplo da palavra "enzima" de Spetner e compararei isso a um sistema receptor-ligante bem estudado, o receptor de angiotensina II.

Aplicação a sistemas biológicos reais: [Topo]

Exemplo de Spetner do palavra-enzima

Vamos examinar isso com algum detalhe e revisitarmos seu exemplo da "enzima palavra". Este difere em aspectos-chave do exemplo de endereçamento binário que ele apresenta primeiro, mas vou ignorar isso para este artigo, pois a "enzima palavra" é o exemplo que ele usa para preencher a lacuna entre sistemas reais [estreptomicina em seu exemplo] e a medida de endereçamento binário, veja (1) páginas 134-137.

A informação de Spetner é proporcional ao comprimento da string de ligação

Aqui está a palavra enzima de Spetner "ghts". Esta pode "ligar" muitos "substratos" (na verdade, ligantes, pois este é um argumento de ligação geral):

  ghts
Nights
Lights
Fights
Rights
(and many more, omitted for clarity)
Lightship
Nightshade

ao aumentar o comprimento da sequência, reduzimos o número de "ligantes" "ligados", aumentando a "especificidade"

  ghtsh
Lightship
Nightshade

ao aumentar novamente o comprimento da string, reduzimos novamente o número de "ligantes" "ligados", aumentando a "especificidade" mais uma vez.

  ghtshi
Lightship

Em cada etapa, para cada "aumento na especificidade", o comprimento em bits da string de ligação aumenta. Assim, a "informação" na string de ligação aumenta.

Observe que, embora Spetner tenha afirmado que mutações aleatórias não podem produzir aumentos de informação, no exemplo de sua "enzima de palavra", mutações aleatórias podem aumentar a informação. Simplesmente adicionar uma letra aleatoriamente à string "ghts" resultará em um número de strings que se ligam a substancialmente menos "ligantes". Também resultará em um número de strings que não se ligam a nenhum ligante, mas é suficiente notar que a mutação aleatória simples produzirá "enzimas de palavra" de maior "especificidade"

No entanto, quando chegamos a sistemas reais, o vínculo entre o aumento do comprimento da "corda" de ligação e a "especificidade" simplesmente não se sustenta. Um exemplo que dei acima, uma mudança em uma região de dobradiça, longe do sítio de ligação, pode permitir a entrada de ligantes maiores, mesmo que a sequência de ligação real permaneça inalterada.

Skip text graphic
a--d--------|    a--d-------|   a--d--------|
abcd        n VS abcd       N   abcdE       N
bc----------|    bc---------|   bc----------|

Na seção que se segue, examinarei isso com maior profundidade.

A informação de Spetner depende da ligação "tudo ou nada"

Como notado acima, as informações de Spetner são proporcionais ao número de substratos, mas Spetner nunca define substrato. Isso não é trivial. Como vimos acima, a "enzima" de Spetner ou se liga a um ligando, ou não. Isso é importante, pois todo o conjunto de argumentos de Spetner é que o número de substratos reflete o comprimento da string de ligação, e o comprimento da string de ligação, em bits, é a informação da enzima/receptor/proteína de ligação. No entanto, no mundo real, a ligação de um ligando a uma proteína não é uma questão de tudo ou nada; os substratos têm graus variados de "adesividade", o que não é abordado pela métrica de Spetner. Mesmo uma enzima muito específica se ligará a um ligando muito fortemente, alguns não tão fortemente e muitos muito fracamente. Não se pode simplesmente dizer que apenas os ligandos muito fortemente ligados serão considerados, pois ligandos muito fracos podem ser de grande importância fisiológica, se estiverem presentes em concentração suficiente (existem muitos exemplos disso na fisiologia; no exemplo do receptor de angiotensina II abaixo, há um grupo de peptídeos chamados peptídeos da tríade de histidina, que, embora sejam ligandos muito fracos do receptor de angiotensina II, de fato modulam a atividade do receptor sob circunstâncias fisiológicas, pois suas concentrações são tão altas no corpo). Isso tem uma implicação teórica e prática.

Teoricamente, isso significa que não há conexão necessária entre o comprimento da cadeia e o número de ligantes ligados, pois a "adesividade" depende de fatores moleculares que não se traduzem facilmente em informação. Uma cadeia contendo ácido aspártico tem mais ou menos informação do que uma contendo asparagina, quando a diferença virtualmente única entre elas é a carga? A "adesividade" também depende de algumas características moleculares que fazem parte do substrato. Praticamente, isso significa que a informação de Spetner não pode ser medida experimentalmente, pois nunca podemos saber verdadeiramente o número total de substratos, a menos que testemos todos os substratos potenciais no universo.

Assim, podemos ver que as métricas de Spetner provavelmente não são capazes de medir o conteúdo de informação de enzimas/receptores/proteínas de ligação em absoluto. Na próxima seção, apresento uma análise aprofundada que reforça este ponto.

Word-enzimas comparadas a proteínas reais [Topo]

Vamos tomar como exemplo os importantes receptores hormonais, os receptores de angiotensina II (AT). Os receptores AT existem em duas versões, codificados por genes separados: o receptor AT1 é uma proteína feita de uma cadeia de 359 aminoácidos, e o receptor AT2 é uma proteína de 363 aminoácidos de comprimento. Ambos se ligam ao peptídeo angiotensina II (AII) e peptídeos relacionados, mas a ligação do AII aos receptores estimula sistemas enzimáticos completamente diferentes (a ligação do AII ao receptor AT1 ativa a enzima fosfolipase C e a ligação ao AT2 ativa uma enzima diferente, fosfatase). Apesar de perfis de ligação quase idênticos, os receptores compartilham apenas 34% dos aminoácidos em sua estrutura. Temos uma compreensão muito boa da estrutura e das propriedades do sítio de ligação do AII nos receptores de angiotensina, portanto, eles fornecem uma plataforma para testar as ideias de Spetner sobre especificidade.

O AII e ligantes semelhantes ligam-se à mesma sequência de aminoácidos nos receptores AT1 e AT2. Podemos utilizar o código de um único letra para aminoácidos, onde uma única letra substitui o nome de um aminoácido (por exemplo, D é o aminoácido aspártico, veja abaixo), para representar a sequência de ligação como uma string, análoga à string de ligação de palavras de Spetner ghtshi. A string de ligação do receptor de angiotensina é DNKH. Portanto, estes receptores parecem ser um bom exemplo para testar as ideias de Spetner. Os aminoácidos na string de ligação não são contíguos, mas são separados por muitos aminoácidos (5, 6).

Os aminoácidos que compõem a sequência DNKH:

D(Aspartato 281) N(Asparagina 111) K(Lisina 199) H(Histidina 256) AT1
D(Aspartato 297) N(Asparagina 126) K(Lisina 215) H(Histidina 273) AT2

Observe que os aminoácidos estão em posições diferentes nos diferentes receptores (por exemplo, o Aspártico 281 está na posição 281 na cadeia de 359 aminoácidos que é o receptor AT1 e o Aspártico 297 está na posição 297 na cadeia de 363 aminoácidos que é o receptor AT2) em parte porque o receptor AT2 tem um C-termino mais longo, e também devido a uma inserção na sequência entre N e K e entre K e H no receptor AT2. Assim, o conceito de "sequência precisa" não é exatamente aplicável à ligação do receptor. Os aminoácidos são aproximados (mas não em uma sequência linear, mais como um anel) pelo dobramento tridimensional das proteínas, e este dobramento tridimensional é causado por sequências muito diferentes.

Figura 2: Como as proteínas se dobram para formar estruturas tridimensionais que aproximam os aminoácidos. Painel esquerdo, esquema mostrando como as hélices trazem a sequência DNKH juntas (apenas 4 hélices mostradas para fins ilustrativos). Painel direito, a estrutura cartoon tridimensional do receptor AT1 com AII ligado. Estamos olhando o receptor de cima, com algumas cadeias removidas para clareza. As hélices transmembranares são mostradas como espirais cinzas, o AII é mostrado em amarelo e os aminoácidos DNKH são mostrados em vermelho. Veja http://home.mira.net/~reynella/chime/ang_tuta.htm para estruturas 3D (precisa do plug-in MDL CHIME para visualizar e manipular a estrutura 3D).

Pular diagrama de texto H H---H H--| ED EN EK EH | L L L L | I I I I | X X X---X | |--------------|

Is problemático para as alegações de Spetner, pois a sequência DNKH depende de uma série de fatores que NÃO dependem dessa sequência, portanto o conteúdo de informação "verdadeiro" não é refletido pela sequência de ligação sozinha. Novamente, note que o dobramento tridimensional não é rígido, e alterna entre um número de diferentes estados (Cadeias proteicas são um pouco flexíveis, mais como uma bola de macarrão semi-cozido do que as formas rígidas às vezes desenhadas, portanto enzimas e receptores são "flexíveis" e ligantes são "flexíveis": isso é relevante para as alegações de Spetner, mais adiante).

Como dito acima, os receptores AT ligam a angiotensina e peptídeos semelhantes ao sítio de ligação do ligante. Assim como no receptor, nem toda a sequência do ligante se liga ao sítio de ligação. As sequências são mostradas no código de um único aminoácido, com os aminoácidos que se ligam sendo mostrados em negrito.

AII      DRVYIHPF

AIII      RVYIHPF

SarIle   SRVYIHPI

SarAsp   SDVYIHPI

CGP       NYKRHPI


AIV        VYIHPF

Para AII e AIII, os peptídeos ligam-se à sequência do sítio de ligação do receptor da seguinte forma (5,6,7,8):

RYF
DNKH

Analogia amplamente semelhante ao "ligamento" ghtshi-lightship. F liga-se tanto a K quanto a H. Isso é principalmente interações eletrostáticas, em vez das "protuberâncias e cavidades" físicas que Spetner usa em sua (incorreta) analogia para a ligação da estreptomicina. O aminoácido básico R liga-se eletrostaticamente ao aminoácido ácido D, Y e N formam ligações de hidrogênio e F forma uma ligação pi com H, e uma ligação de hidrogênio com Y. (Em SarAsp, o ácido D interage com o ácido D, mas a distribuição de carga dipolar significa que eles se ligam em vez de se repelir. Química e bom senso NÃO se dão bem juntos. (5,6))

Mas, ao olharmos para SarIle e SarAsp, podemos ver que o modelo de ligação de Spetner está indo muito mal. Estes possuem apenas dois dos três pontos de correspondência presentes em AII e AIII, no entanto, ligam-se muito bem de fato. Talvez apenas a sequência de ligação DN seja crítica. AIV, que carece da região de ligação D, ainda se liga (não tão bem como os outros, mas ainda se liga, mais sobre isso adiante (5,6,7,8)).

No que diz respeito ao modelo de Spetner, é como se "ghtshi" ligasse Lights, Nights, e Ship, bem como lightship. Isso rompe o nexo que Spetner tentou estabelecer entre o comprimento da string de ligação e o número de ligantes ligados.

Figura 3: Ligação de ligantes ao receptor AT1, observando o receptor de cima. Círculos representam hélices transmembranares (veja a figura 2). Algumas hélices transmembranares foram omitidas para clareza. Painel superior, Ligação da Angiotensina II ao receptor AT1; a região N-terminal da angiotensina é representada por R, por simplicidade. A sequência de ligação D(Asp 281) N(Asn 111) K(Lys 199) H(His 256) é mostrada em VERMELHO (assim como na figura 2); outros aminoácidos que estão periféricamente relacionados na estabilização da molécula são mostrados em PRETO. Painel inferior: Ligação do ligante losartano ao receptor AT1. A sequência de ligação comum entre AII e losartano é mostrada em AZUL; outros aminoácidos que estão periféricamente relacionados na estabilização da molécula são mostrados em PRETO. Nota que diferentes aminoácidos estão envolvidos na ligação do losartano.

Pior ainda, o CGP liga-se a aminoácidos completamente diferentes na fenda de ligação do ligante, de modo que há uma desconexão adicional do modelo de Spetner, pois existem mais de uma "sequência de ligação" em um sítio de ligação de ligante. Este não é um fenômeno incomum e também é verdadeiro para muitos receptores. A Figura 2 mostra a comparação entre os pontos de ligação do AII e do losartan no receptor AT1, mostrando as diferenças.

O número de ligantes ligados não está simplesmente relacionado ao comprimento da sequência de ligação

Então, o que acontece quando encurtamos a string de ligação DNH. De acordo com o modelo de Spetner, você deveria aumentar o número de ligantes ligados. Podemos mutar o aminoácido H para A (alanina), Q (glutamina) ou R (arginina). A mutação Q mantém a carga e o tamanho, mas perde a ligação pi; a mutação R mantém a carga; a mutação A perde carga e tamanho, assim as mutações de H para R e A são como truncar a string de ligação para DNK. No receptor AT1, a ligação não muda com nenhuma dessas mutações. Quando mutamos H para Q ou R no receptor AT2, toda a ligação é perdida (7,8). De qualquer forma, o modelo de Spetner está completamente errado sobre o que acontece quando o "comprimento da string" de uma string de ligação de ligantes é encurtado (e isso invalida novamente sua medida).

Ainda pior, o que acontece quando você muta N em DNKH (Asparagina na posição 111 no receptor AT1 e na posição 126 no receptor AT2)? Se você mutar N para G (glicina), um aminoácido neutro muito curto, ao contrário da asparagina carregada e mais longa, não há contato com o ligante e o G, de modo que a sequência do sítio de ligação torna-se DKH. Apesar dessa truncamento, você ainda se liga a AII, AIII, etc., mas o AIV tornou-se "mais pegajoso" (algo que Spetner não aborda realmente em sua métrica). Como mencionei antes, os receptores AT oscilam entre várias formas conformacionais. A mutação N->G restringe o receptor a menos formas conformacionais, tornando-o MAIS específico. Acontece que o AII e o AIII se ligam a todas as formas conformacionais entre as quais a enzima oscila, mas o AIV se liga apenas a uma das formas, aquela estabilizada pela mutação N111G (5,6). Assim, a ligação é uma função crítica da forma tridimensional, não coberta pela métrica de Spetner, e uma única mutação pode aumentar a especificidade (de acordo com os critérios de Spetner, uma proteína que tem uma forma conformacional tem mais especificidade do que uma com múltiplas formas conformacionais).

E se tomarmos a métrica de Spetner ao pé da letra, olhando APENAS para o número de ligantes ligados. Existem outros exemplos de mutações que podem aumentar a "especificidade" nos receptores AT? Sim. No receptor AT2, substituir o aminoácido Y (tirosina) na posição 215 da cadeia AT2 por R elimina a ligação ao CGP, mantendo intactas as ligações ao AII e ao SarIle (note que Y NÃO faz parte da sequência de ligação DNKH). Por outro lado, a mutação de Y215 para Q elimina as ligações ao AII e ao SarIle, enquanto mantém intacta a ligação ao CGP (aqui "elimina" significa que não há ligação significativa quando 1 mM de ligante está presente). Assim, podemos ver que mutações únicas podem aumentar a "especificidade", como no número de ligantes ligados. Assim, mesmo com a métrica inválida de Spetner, ainda podemos demonstrar que a mutação aleatória aumenta a "especificidade".

Vimos que, em exemplos do mundo real, os requisitos de Spetner para que o número de substratos seja um indicador de informação proteica não são atendidos, e a métrica de Spetner é inválida. Agora, voltaremos aos exemplos que Spetner apresentou em seu livro e mostraremos como suas próprias análises desses exemplos falham.

Exemplos de Spetner [Topo]

Agora vamos ver como o próprio Spetner aplica sua métrica.

Metabolismo do xilitol

Dada a extensa discussão que Spetner dedica à especificidade de ligação, e seus experimentos mentais enfatizando que a especificidade é equivalente ao número de substratos ligados, pode ser uma surpresa que, na análise de Spetner da mutação de ribulose para xilitol, ele não considere realmente a especificidade de ligação.

Ele considera sim uma medida bioquímica chamada especificidade, mas não se trata da medida de especificidade de Spetner. Esta é uma razão entre a eficiência catalítica e a especificidade de ligação. Bem, você diz agora que isso é bastante trivial, podemos trabalhar com isso. Bem, não. A eficiência catalítica é outra coisa completamente diferente. Ela definitivamente não se presta a uma medida de "endereçamento" e baseia-se em uma variedade de propriedades físico-químicas, como a distribuição de carga no substrato, a rotação livre do grupo lateral catalítico (um grupo catalítico que gira 10 angströms tem mais ou menos informação do que um que gira 15 angströms?) e assim por diante. Criticamente, dois substratos podem ter a mesma especificidade de ligação, mas diferentes eficácias catalíticas, o que confunde a análise de informação.

Pior ainda, o argumento de Spetner está relacionado ao número de substratos atuados (veja acima). No entanto, na ribulose desidrogenase mutando em xilitol desidrogenase, em ambos os casos a enzima ligou 3 substratos; por sua própria definição, nenhuma mudança de informação ocorreu. A taxa de desidrogenação mudou, mas o número de substratos atuados não muda. Dois pontos precisam ser enfatizados:

a) Como notado na seção anterior, a métrica de Spetner é uma medida que afirma que uma enzima que liga o substrato A e o substrato B tem menos informação do que uma enzima que liga apenas o substrato A (lembre-se de ghtsh, que "liga" Lightship e Nightshade e tem menos informação do que ghtshi, que liga apenas Lightship, porque ghtshi é uma string mais longa). Isso NÃO funciona quando estamos comparando uma enzima que liga 20 moléculas de substrato A para cada 80 moléculas de substrato B, com uma enzima que liga 80 moléculas de substrato A para cada 20 moléculas de substrato B. O comprimento da string de ligação não precisa ter mudado, ou ter mudado na direção que Spetner exige, portanto a medida de comprimento em bits não ajuda em nada.

b) A magnitude relativa da mudança pode ser inteiramente devido a alterações na eficiência catalítica, que não possui conteúdo de informação no esquema de endereçamento de Spetner (nem consigo ver nenhuma maneira significativa de calcular a "informação" nisso com qualquer métrica de informação existente).

Ainda pior. Spetner comparou as "especificidades" de 3 substratos, porque eram os únicos substratos medidos no experimento. Na realidade, a ribulose desidrogenase (e a xilitol desidrogenase) liga muito mais substratos do que apenas esses 3 (embora a eficiência catalítica seja muito baixa para a maioria dos substratos ligados). Como apontado acima, sem avaliar o painel completo de substratos, qualquer alegação sobre especificidade é sem sentido. (Mas quais substratos? Se nos restringirmos aos substratos naturais, excluímos o xilitol, um açúcar sintético não encontrado no ambiente natural, mas desenvolver atividade de xilitol desidrogenase era o objetivo principal do exercício). Se incluirmos substratos sintéticos, temos um potencialmente infinito número de substratos para testar. Como sabemos o que está realmente acontecendo?

Ele continua a piorar. Spetner assumiu que o ponto alcançado no experimento (onde Ribulose e Xilitol estavam sendo degradados a taxas aproximadamente semelhantes pela enzima mutante) era o melhor possível, que nenhuma melhoria adicional era viável. No experimento que ele analisou, o ponto principal era verificar se a atividade sobre xilitol poderia ser desenvolvida, não obter a atividade ótima. De fato, em outros experimentos, enzimas mutantes foram produzidas que degradavam xilitol 20 vezes mais rápido que ribulose (o que, de certa forma, destrói sua tese; veja 9).

Portanto, o exemplo da ribulose não sustenta a tese de Spetner. Além disso, temos literalmente centenas de enzimas onde a mutação aleatória resulta em alta especificidade de substrato (houve uma enorme quantidade de trabalho no desenvolvimento de atividades enzimáticas novas e específicas a partir de proteínas barril alfa-beta generalistas, por exemplo, veja 10, e recentemente foi relatada a evolução de atividades de ligação específicas a partir de peptídeos aleatórios 11).

Associação com estreptomicina: [Topo]

Figura 4: Ligação da estreptomicina à subunidade S12 da subunidade ribossomal 30S. Painel superior, A cadeia S12 é mostrada em formato cartoon (verde), com o rRNA mostrado apenas como o esqueleto (marrom). Os resíduos críticos para a ligação direta à estreptomicina, Lisina 42 e Lisina 87, são mostrados em azul. A estreptomicina é mostrada com carbono em cinza, nitrogênio em azul e oxigênio em vermelho. A ligação ao RNA não é mostrada por simplicidade. Painel inferior: o efeito da mutação na estrutura de S12. A substituição da lisina 42 (amarelo, na cadeia branca) faz com que a cadeia se torça para longe da estreptomicina (cadeia rosa), impedindo a ligação.

Outro exemplo dele é o caso de resistência ao antibiótico estreptomicina. A estreptomicina mata bactérias interferindo na montagem de proteínas no ribossomo. A mutação do gene rspL, que codifica a subunidade S12 da partícula ribossomal 30S em bactérias, pode resultar em resistência à estreptomicina. A partícula ribossomal 30S é uma estrutura multissubunitária que, por sua vez, forma parte da partícula ribossomal sintetizadora de proteínas. A subunidade S12, juntamente com o RNA 16S, forma parte do centro de correção de erros do sítio de ligação de aceitação do RNA de transferência (tRNA). A mutação da lisina de ligação à estreptomicina na posição 42 da cadeia proteica que compõe a subunidade S12 para treonina ou asparagina resulta na falha da estreptomicina em se ligar à S12, com a consequente resistência das bactérias ao antibiótico estreptomicina. Este é um exemplo clássico de uma mutação benéfica, como é encontrado em muitos livros didáticos, pois foi o trabalho sobre essa mutação que determinou que as mutações são aleatórias.

Ribossomos mutantes resistentes a antibióticos têm maior informação de Spetner

Em termos da métrica de ligação de Spetner, a proteína mutante S12 é mais específica; ela agora se liga apenas ao tRNA e não ao tRNA e estreptomicina. Agora, a estreptomicina não é um substrato, então você poderia objetar ao uso da especificidade de ligação neste caso. No entanto, a ligação à estreptomicina é o próprio exemplo de Spetner para especificidade de ligação, e ele a usa como exemplo de um sistema de ligação "chave e fechadura" (veja acima). Lembre-se também de que sua métrica é geralmente aplicável a todas as interações ligante-receptor (lembre-se de que, em seu exemplo da "enzima palavra", há apenas ligação ocorrendo, então, por seus próprios exemplos, o ligante não precisa ser um substrato).

Além disso, a mutante tem um efeito na precisão de ligação ao substrato do ribossomo. Embora a estreptomicina se ligue em um sítio diferente do sítio real de correção de prova do tRNA, este é um exemplo clássico de algo chamado modulação alostérica. No modelo simples de Spetner sobre a ligação ao substrato, apenas ligantes que se ligam diretamente ao sítio ativo são considerados. No entanto, muitas enzimas e receptores hormonais possuem sítios para ligantes distintos do sítio ativo, onde a ligação de ligantes a esses sítios distantes resulta na modificação da ligação do substrato/ligante no sítio ativo. Esses tipos de ligantes são chamados de moduladores alostéricos e são muito importantes na biologia. Eles incluem a ligação de sódio a uma bolsa na enzima digestora de proteínas tripsina, longe do sítio ativo, o que altera a atividade catalítica da tripsina e a ligação de glicina a um sítio modulador longe do sítio de ligação de glutamato no receptor de glutamato (o que altera a atividade nervosa) e muitos outros exemplos. Se você excluir da consideração um modulador alostérico da ação enzimática como a estreptomicina, então você está ignorando a biologia.

Ribossomos que se ligam à estreptomicina produzem proteínas defeituosas porque a estreptomicina interfere no centro de correção de provas (que é assim que a estreptomicina mata as bactérias). A versão mutante que não se liga à estreptomicina é, na verdade, MAIS precisa, ou seja, mais ESPECÍFICA, que o tipo selvagem. O centro de correção de provas do tipo selvagem comete alguns erros mesmo na ausência de estreptomicina, e as formas mutantes cometem ainda menos erros que o tipo selvagem (aproximadamente 85% menos; 12).

Este é um aumento claro na especificidade de ligação de Spetner:

1. O produto do gene mutante não se liga à estreptomicina de forma alguma (ele tem um ligante em vez de dois)
2. Ele se liga ao substrato peptidil tRNA com mais precisão
3. Ele catalisa a síntese de peptídeo com maior precisão.

Spetner reconhece isso? Não, Spetner agora muda para a medida de expectativa e afirma (sem evidências) que, como deve haver mais sequências S12 que não se ligam à estreptomicina do que aquelas que se ligam, a informação deve ter diminuído (por que ele não fez essa análise na enzima ribulose?).

No entanto, ele está completamente errado. O conjunto de todos os genes rsPL que produzem a ligação da estreptomicina ao S12 é da ordem de 10⁶⁰. O conjunto de todos os genes rsPL que não ligam a estreptomicina também é da ordem de 10⁶⁰ (com base em uma análise de mutações neutras utilizando o método de Yockey (13)). Portanto, a diferença de informação é tão pequena que é praticamente inexistente. Se considerarmos apenas as alterações de aminoácidos nos aminoácidos responsáveis pela ligação à estreptomicina, então há aproximadamente o mesmo número de substituições que permitem a ligação quanto aquelas que não permitem (10 resistentes versus 6 normais, veja 14).

Importante, existe uma mutação particular, AAA42 -> AGA42 (lisina para arginina) que não se liga à estreptomicina E tem precisão e taxas de tradução do tipo selvagem (15). Esta é a única mutação possível (única) que faz isso, pelo que o seu conjunto é menor que o conjunto do tipo selvagem. Outro exemplo é a mutação que resulta na subunidade S12 ainda se ligando à estreptomicina E sendo resistente à estreptomicina. Novamente, esta é a única mutação possível, pelo que, pela medida de expectativa, esta mutação tem mais informação que o tipo selvagem.

Assim vemos que, independentemente de como Spetner aplica suas métricas, a mutação resistente à estreptomicina possui mais informação que o gene do tipo selvagem.

Spetner e mutações "dirigidas": [Top]

Spetner acredita ter demonstrado que mutações aleatórias não podem produzir os aumentos de informação que seriam necessários na evolução (como vimos, ele está errado). Spetner propõe que a evolução ocorre por meio de mutações "dirigidas" (com a implicação de que a Inteligência Divina está, de alguma forma, por trás dessa "direção"). A aparente existência de mutações "dirigidas" baseou-se em alguns trabalhos iniciais de Barry Hall. No entanto, Spetner não seguiu as pesquisas mais recentes sobre esse trabalho e mal-entende a origem e a significância das mutações "dirigidas".

A maioria das pessoas sabe que as mutações surgem aleatoriamente em células em divisão, e que as mutações ocorrem em diversos locais do ciclo de replicação como consequência de danos (por exemplo, de produtos químicos mutagênicos ou radiação) ou de erros de revisão durante o processo de cópia.

No entanto, a maioria das pessoas não sabe que há uma renovação significativa de DNA em células não em crescimento (não em divisão) (16).

Mutações adaptativas (direcionadas) são mutações que aparentemente resultam na aparência seletiva de mutações favoráveis. A designação dessas mutações causou considerável controvérsia e elas foram chamadas de mutações adaptativas, direcionadas, cairnsianas, induzidas por seleção e associadas a um estilo de vida estressante (SLAM). Um pesquisador cunhou o nome "Fred" ao tentar encontrar um nome que não inflamasse os críticos, e "Fred" parece ter encontrado seu caminho para pelo menos o discurso informal dos pesquisadores relevantes (17).

"Fred" ocorre apenas sob seleção não letal em células não divididas, e foi sugerido ser um mecanismo neo-lamarquiano para inserir informações ambientais nos genes. No entanto, "Fred" não é tal coisa (16,17,18), e não é direcionado no sentido que Spetner sugere.

1. Fred não é lamarckiano. Não há transcriptase reversa envolvida; os mutantes não são retrotranscritos de alguma proteína alterada pelo ambiente ou mesmo de um mRNA modificado por acaso.
   
   
2. Fred não é dirigido; as mutações são encontradas aleatoriamente em todo o genoma, não apenas no gene "adaptativo".
   
   
3. Fred depende da recombinação; danificar qualquer uma das enzimas de recombinação RecA ou RecBCD reduz a taxa de mutações "adaptativas".
   
   
4. Fred depende da DNA polimerase; em mutantes de DNA polIII com melhor leitura de prova, a taxa de mutações "adaptativas" é reduzida.
   
   
5. Fred depende em grande parte do reparo de emparelhamento defeituoso (MMR). Defeitos no MMR aumentam as mutações "adaptativas" e o aumento do MMR ou a superexpressão do MMR reduz as mutações "adaptativas". Crucialmente, o MMR é reduzido em células não em crescimento e sob estresse.
   
   

Portanto, o modelo a seguir mostra como as mutações "adaptativas" ocorrem. Células não em crescimento nutricionalmente privadas estão sob estresse; o estresse leva a quebras de fita dupla no DNA. A recombinação via RecBCD inicia a síntese do DNA, a DNA PolIII finaliza o trabalho, mas comete erros, que passam despercebidos porque a privação de nutrientes desligou em grande parte o reparo de erros. Isso resulta em mutações em todo o genoma a uma taxa mais rápida do que o normal, e ocasionalmente um mutante que pode utilizar o substrato "seletivo" (16,17,18).

O exemplo canônico é o de E. coli que possuem um gene Lac defeituoso e não conseguem utilizar lactose; quando cultivadas em um meio que tem apenas lactose como fonte de carbono, as células não conseguem crescer, mas após algum tempo aparecem colônias que conseguem usar lactose. Essas colônias contêm uma versão do gene defeituoso que foi restaurada à função (geralmente por um desfasamento de 1 bp (16,17,18))).

Então, Fred, embora certamente excitante do ponto de vista genético, revela-se apenas outra mutação aleatória entediante.

Conclusão: [Topo]

Para resumir, embora os argumentos de Spetner sejam superficialmente plausíveis, uma análise mais aprofundada com algum conhecimento de bioquímica revela falhas massivas. Spetner está errado nos detalhes da biologia: a especificidade do ligante não é diretamente governada pelo comprimento da sequência de ligação, como exigido pela teoria de Spetner, e a ligação do ligante não é uma questão de "tudo ou nada". Isso invalida suas análises. Mesmo assim, os próprios exemplos de Spetner não sustentam suas alegações. Além disso, ao utilizar suas métricas, Spetner alterna as métricas quando surgem mudanças inconvenientes.

Agradecimentos:

Muitos agradecimentos a Chris Ho-Stuart, Michael Hopkins, Bill Hudson e Douglas Theobald por sugestões úteis e revisão.