Behe, o Ciclo de Krebs e Modelos de Origem de Estruturas Bioquímicas Complexas
Post do Mês: Dezembro de 1999
por Sherilyn
[Nota: O que se segue são, na verdade, quatro posts sobre o mesmo assunto por Sherilyn durante o mês de dezembro de 1999. --Ed.]
Artigo 1
Assunto: Análise do ciclo de Krebs refuta Behe (1994)?
(em resposta a: De volta a Paley? Nem de longe!)
Grupos de discussão: talk.origins
Data: 12 de dezembro de 1999
ID da mensagem: 83025v$8cf$1@nnrp1.deja.com
No artigo <38531ECB.348142B7@no.hlk.spam.hj.se>, Sverker Johansson <lsj@no.hlk.spam.hj.se> escreveu:
> Sherilyn escreveu:
[Artigos citados da JME que parecem contradizer a alegação de Behe
de que "zero artigos" foram publicados na JME discutindo modelos detalhados
da evolução de máquinas moleculares]
> >
> > Apenas para ter certeza de que isso está correto, há uma possibilidade de que esses
> > artigos modeluem estruturas que não seriam consideradas complexas por um
> > bioquímico, ou que os modelos discutidos careçam de detalhes significativos?
>
> Todos esses são claramente complexos. O que um defensor de Behe pode objetar é que
> alguns dos modelos evolutivos podem carecer de detalhes.
>
> Mas seria difícil argumentar que Melendez-H et al é
> insuficientemente detalhado, com sua riqueza de detalhes químicos, e
> sua discussão de estágios intermediários.
>
> Musser et al também merece uma análise mais próxima. Os outros
> contêm modelos evolutivos, mas menos detalhados.
>
> > Eu consigo ver como um artigo com um título como 'Análise filogenética dos
> > componentes do sistema de transporte de vesículas eucarióticas revela uma
> > origem comum de complexos de proteínas adaptadoras 1, 2 e 3 e do subcomplexo F
> > do coatomer COPI' tenderia a ser classificado como apenas mais um artigo sobre
> > sequenciamento, você tem certeza de que ele discute um modelo evolutivo detalhado?
>
> A maior parte do artigo é sobre sequenciamento, mas ele também discutiu um
> modelo evolutivo.
>
> > Por exemplo, seria correto afirmar que o artigo apenas infere uma
> > evolução comum, mas não discute um mecanismo evolutivo viável para essa
> > origem?
>
> Não. Ele deu um pequeno passo além de apenas discutir uma evolução
> comum. Existem zilhões de artigos apenas inferindo evolução comum,
> sem dar o próximo passo, mas este não é um deles.
>
> > Eu não quero acusar ninguém de enganar as pessoas sobre
> > o conteúdo real da JME, a menos que seja bastante claro que ele
> > o fez.
>
> Minha interpretação disso é que Behe intencionalmente inclui palavras
> como "detalhado", para que ele possa sempre torcer e afirmar
> que qualquer modelo apresentado não é suficientemente
> detalhado. Ele estabelece metas móveis.
>
> Mas ele terá que movê-las muito rápido e longe para colocar o
> artigo de Melendez do lado "certo" delas.
Visitei o site Springer Science Online
http://link.springer.de/power.htm
e buscou o resumo de Melendez (1996), que se lê na íntegra:
INÍCIO DA CITAÇÃO
A origem evolutiva do ciclo do ácido cítrico de Krebs tem sido, há muito tempo, um caso modelo na compreensão da origem e evolução de vias metabólicas: como pode ser explicada a emergência de uma via tão complexa? Foram realizadas diversas estudos especulativos que chegaram à conclusão de que o ciclo de Krebs evoluiu a partir de vias para a biossíntese de aminoácidos, mas muitas questões importantes permanecem em aberto: Por que e como a via completa emergiu de lá? São possíveis outras rotas alternativas para o mesmo propósito? São elas melhores ou piores? Tiveram alguma oportunidade de serem desenvolvidas na evolução do metabolismo celular? Analisamos o ciclo de Krebs como um problema de design químico para oxidar acetato, gerando equivalentes redutores para a cadeia respiratória para produzir ATP. Nossa análise demonstra que, embora existam várias soluções químicas diferentes para este problema, o design desta via metabólica conforme ocorre nas células vivas é a melhor solução química: possui o menor número possível de etapas e também o maior rendimento de ATP. O estudo das possibilidades evolutivas de cada uma delas – tomando o material disponível para construir novas vias – demonstra que a emergência do ciclo de Krebs tem sido um caso típico de oportunismo na evolução molecular. Nossa análise prova, portanto, que o papel do oportunismo na evolução transformou um problema com várias soluções químicas possíveis em um problema de solução única, com o ciclo de Krebs real demonstrado como o melhor design químico possível. Nossos resultados também nos permitem derivar as regras sob as quais as vias metabólicas emergiram durante a origem da vida.
END QUOTE
Se o artigo contém a análise descrita, isso certamente responde à alegação de Behe em 1994, que ele repetiu em Temple e em outros lugares mais recentemente (1998?).
O artigo de Behe que citei no topo deste tópico está em:
http://www.arn.org/docs/behe/mb_mm92496.htm
Originalmente, foi apresentado por Behe na reunião da Sociedade C.S. Lewis, Universidade de Cambridge, em 1994, de modo que Behe poderia ter argumentado nessa época que o JME não havia publicado nenhum artigo contendo uma quantidade razoável de detalhes. Mas Behe ainda continuava a divulgar aquela mesma afirmação quando visitou a Universidade Temple e, de acordo com a transcrição do discurso de Peter Nyikos, disse:
INÍCIO DA CITAÇÃO
==========[transcrição do trecho relevante da fita de áudio, notas adicionadas entre colchetes]
Mas se essas coisas não podem ser explicadas pela evolução darwiniana, como eu afirmo, então o que outros cientistas disseram sobre como elas foram produzidas? Bem, um bom lugar para procurar uma resposta para essa questão é em um lugar chamado Journal of Molecular Evolution.
Aqui está uma recente tabela de conteúdos do jornal.
[A PRIMEIRA DAS DUAS TRANSPARÊNCIAS FOI APOSTA POR AÍ]
Como o nome sugere, a revista foi criada especificamente para examinar questões sobre como a vida surgiu no nível molecular e como ela pode ter evoluído. É uma boa revista. Tem talvez 40 cientistas em seu conselho editorial. Desses, talvez 15 sejam membros da Academia Nacional de Ciências. Já teve o estranho prêmio Nobel ou dois em seu conselho editorial. E todo mês publica cerca de uma dúzia de artigos. E aqui está um mês típico. E a partir de onde vocês estão sentados, alguns de vocês não podem ler os títulos dos artigos; e alguns dos não-cientistas aqui não seriam capazes de entender do que se trata de qualquer forma, se pudessem ver os títulos.
Mas, brevemente, neste número, todos os 12 artigos tratam de algo chamado análise de sequências. Brevemente, a análise de sequências envolve sequências de proteínas e DNA. Agora, como vocês sabem, as proteínas são compostas de subunidades chamadas aminoácidos. Agora, uma coisa interessante que se pode fazer é pegar uma proteína de uma espécie e compará-la a uma proteína similar de outra espécie.
Suponha que você pegasse a hemoglobina do cão e a hemoglobina do cavalo, e sequenciasse, ou determinasse a sequência de aminoácidos em ambas essas proteínas. Agora, o que você pode fazer é dizer a si mesmo: bem, com essas duas sequências, o que podemos dizer sobre a primeira posição de aminoácido? É a mesma no cão e no cavalo, ou é diferente? E quanto à segunda posição, e à terceira posição, ou à 50ª posição? E isso seria algo interessante de fazer; e a partir dos resultados, você talvez pudesse determinar o quanto esses organismos estão relacionados. E essa seria uma pergunta interessante a ser abordada.
Porém, para nossos propósitos neste momento, quero dizer que, embora isso seja algo interessante de fazer, não aborda a questão de como você poderia montar máquinas moleculares complicadas, passo a passo darwiniano.
Deixe-me tentar dar-lhe uma analogia para tornar isso claro. Suponha que você olhasse para a extremidade anterior de um cão e a extremidade anterior de um cavalo, e vesse que havia o mesmo número de ossos lá, e que eles estavam em lugares semelhantes. Isso seria muito interessante, e poderia lhe dar uma indicação de quão relacionados esses dois organismos são. Mas comparar os ossos na extremidade anterior de um cão com os de um cavalo não pode lhe dizer de onde os ossos vieram no primeiro lugar. Para fazer isso, você tem que fazer experimentos, você tem que construir modelos e outros trabalhos de laboratório. Bem, acontece que ninguém nesta edição do Journal of Molecular Evolution fez isso. Ninguém abordou a questão de onde essas máquinas moleculares irredutivelmente complexas poderiam ter vindo.
[Neste ponto, houve um silêncio de 6 a 7 segundos na gravação devido a dificuldades técnicas. Obviamente, havia um comentário sobre os outros assuntos do JME aqui.]
Desses, cerca de 700 tratavam de análises de sequências. E elas são interessantes, mas não abordam a questão que estamos pensando hoje. Outras 150 ou mais têm a ver com substâncias químicas consideradas necessárias para a origem da vida. E, novamente, é outro assunto interessante, mas, mais uma vez, não afeta o que estamos fazendo. Uma dúzia ou duas eram estudos matemáticos para determinar métodos de melhorar as análises de sequências.
Dessas mil publicações, quantas abordaram a evolução darwiniana passo a passo de máquinas moleculares complexas, como cílios e flagelos?
É um número redondo. Não existem nenhum.
[A SEGUNDA TRANSPARÊNCIA FOI COLOCADA AQUI]
Nenhum. Nada. Nenhum.
É realmente bastante surpreendente. E há muitas revistas bioquímicas. A JME não é a única. Há o Proceedings of the National Academy e o Journal of Molecular Biology e vários outros. Mas se você olhar neles, a história é praticamente a mesma. Ocasionalmente, as pessoas especulam sobre como coisas como essas poderiam ter surgido, mas nunca com muitos detalhes e nunca de uma maneira testável. As pessoas comparam sequências e sequências, mas ninguém está muito interessado na produção dessas máquinas moleculares.
========================= fim da parte relacionada ao JME do talk
END QUOTE
Se minha memória não me engana, PZ Myers da Temple U. me contou sobre a visita iminente de Behe à Temple durante uma conversa em IRC ou troca de e-mails em novembro/dezembro de 1998, então parece que, se estou correto nisso, Behe ainda estava contando a mesma, agora incorreta, história quatro anos após tê-la contado pela primeira vez.
No artigo de 1994 que citei no início do tópico, Behe menciona ter analisado "868 artigos" nos dez anos anteriores. Agora, na seção que Peter citou, ele diz "desses mil artigos...", indicando que atualizou seu trabalho, mas não o atualizou completamente (porque poderíamos esperar cerca de doze artigos por edição e nos quatro anos entre 1994 e 1998 o total teria sido algo próximo de 1200 artigos).
Infelizmente, não está claro exatamente sobre quais "mil papéis" Behe estava falando, porque a transcrição de Peter de Behe não contém uma explicação de como esse número foi contado, embora haja a seguinte nota no meio da seção JME:
"[Neste ponto, houve um silêncio de 6 a 7 segundos na gravação devido a dificuldades técnicas. Claramente, havia um comentário sobre as outras questões da JME aqui.]"
Esta elipse é muito infeliz. Presumivelmente, a pessoa que fez a gravação teve que virar a fita exatamente naquele ponto.
-- Sherilyn
Artigo 2
Assunto: Ciclo de Krebs como modelo de oportunismo na evolução molecular Grupos de discussão: talk.origins Data: 19 de dezembro de 1999 ID da mensagem: 83iriu$8nq$1@nnrp1.deja.com
Links do Ciclo de Krebs:
Passo a passo interativo
http://www.stark.kent.edu/~cearley/pchem/Krebs/Krebs.htm
Animação
http://wsrv.clas.virginia.edu/~rjh9u/krebs.html
Em Melendez (1996), o mistério da evolução do Ciclo de Krebs (também conhecido como Ciclo do Ácido Cítrico, ou Ciclo do Ácido Tricarboxílico (TCA)) é finalmente reduzido a um problema de engenharia química e reengenhariado para produzir um sistema de respiração aeróbica. Estudos anteriores especularam que o ciclo poderia ter evoluído a partir de vias previamente disponíveis envolvidas na síntese de aminoácidos, mas não existia uma elaboração detalhada de como isso poderia ter acontecido. O Ciclo de Krebs é a base do metabolismo aeróbico; seu produto, ATP, é conhecido como "a moeda energética da célula". Melendez et al. mostram a evolução do ciclo como um exercício de oportunismo na evolução — o cooptamento de componentes existentes com funções inteiramente diferentes e sua montagem para realizar uma nova função.
As Regras Básicas
A chave para a análise da evolução do Ciclo de Krebs foi a derivação de Melendez de um conjunto de regras para a evolução metabólica, conforme segue:
Química Bioorgânica
1. Qualquer reação enzimática é também quimicamente possível sem a enzima, embora ocorra muito mais lentamente e sem uma especificidade bem definida.
2. Todos os intermediários de uma cadeia de reações a serem utilizados, em última análise, em uma sequência metabólica, devem ser estáveis em relação à decomposição rápida. A razão mais forte para essa suposição é evolutiva: no início do desenho do caminho, cada reação enzimática rudimentar ocorre muito lentamente, de modo que intermediários instáveis não poderiam ter sido utilizados.
Disponibilidade de Material
3. Qualquer material a ser utilizado pela nova via deve existir em outro processo metabólico que anteriormente foi construído para um propósito diferente. O projeto desta nova via deve envolver continuidade na função da anterior, cujo material foi utilizado. Uma aplicação sucessiva desta regra, voltando no tempo, levaria eventualmente à origem do metabolismo; na Terra primordial, os primeiros compostos disponíveis teriam que ser produzidos por processos químicos espontâneos.
Cinética e Termodinâmica
4. A nova via não pode envolver uma reação com qualquer incompatibilidade termodinâmica ou cinética com uma anterior que deve operar simultaneamente no mesmo espaço.
Um programa de computador chamado Chaos foi utilizado para gerar soluções candidatas para o problema de produzir ATP a partir da condensação de acetil com um doador. Em seguida, a viabilidade de cada candidato possível foi analisada. Por exemplo, uma rota possível com fosfomalonato como doador foi descartada (ou melhor, colocada de lado na ausência de evidências de que o doador estava disponível) pela regra 3. Outras rotas têm limitações químicas cobertas por outras regras. O ciclo de Krebs não possui tais limitações.
"Na evolução do metabolismo, a realização dos passos fundamentais do ciclo de Krebs não foi nada difícil. Quase toda a sua estrutura já existia anteriormente para propósitos muito diferentes (anabólicos), e as células tiveram que adicionar apenas uma enzima (succinil-CoA sintetase para a transformação de succinil-CoA em succinato) para converter uma coleção de diferentes vias na via cíclica central do metabolismo. Este é um dos casos mais claros de oportunismo que podemos encontrar na evolução."
Do que diz respeito à via do fosfomalato, que eles haviam eliminado, escrevem: "...pode-se argumentar, no entanto, que [o P-malato alimentador] poderia ter desempenhado algum papel no metabolismo anterior; e, portanto, poderia ter estado disponível. De fato, é altamente improvável que alguma via metabólica antiga envolvendo tal composto tenha desaparecido sem deixar vestígios (embora a via original tenha sido perdida, tal intermediário poderia ter sido mantido para outros propósitos); no entanto, não pode ser estritamente descartado e, portanto, embora improvável, o fosfomalato e a estrutura [alternativa] do ciclo de Krebs...poderiam ser encontrados em algumas paleoespécies como um caso de paleometabolismo."
Melendez et al concluem: "O ciclo de Krebs tem sido frequentemente citado como um problema chave na evolução das células vivas, difícil de explicar pela seleção natural de Darwin: como a seleção natural poderia explicar a construção de uma estrutura complexa em sua totalidade, quando as etapas intermediárias não possuem funcionalidade de aptidão óbvia? Isso parece, em princípio, semelhante ao problema do olho, como em 'Qual é o uso de meio olho?' (ver Dawkins 1986, 1994). No entanto, nossa análise demonstra que este caso é bastante diferente. O olho evoluiu porque as etapas intermediárias também eram funcionais como olhos e, portanto, o mesmo alvo de aptidão estava operando durante a evolução completa. No problema do ciclo de Krebs, as etapas intermediárias também eram úteis, mas para propósitos diferentes e, portanto, seu projeto completo foi um caso muito claro de oportunismo. A construção do olho foi realmente um processo criativo para fazer uma coisa nova especificamente, mas o ciclo de Krebs foi construído através do processo que Jacob (1977) chamou de 'evolução por engenharia molecular', afirmando que a evolução não produz novidades do zero: ela atua sobre o que já existe. O resultado mais novo de nossa análise é ver como, com material novo mínimo, a evolução criou a via metabólica mais importante, alcançando o melhor projeto quimicamente possível. Neste caso, um engenheiro químico que estava procurando o melhor projeto do processo não poderia ter encontrado um projeto melhor do que o ciclo que funciona nas células vivas."
J Mol Evol (1996) 43:293-303
O Enigma do Ciclo do Ácido Cítrico de Krebs: Montando as Peças de Reações Quimicamente Viáveis, e o Oportunismo no Design de Vias Metabólicas Durante a Evolução
Enrique Melendez-Hevia,1 Thomas G. Waddell,2 Marta Cascante 31 Departamento de Bioqumica, Facultad de Biologa, Universidad de La Laguna, 38206 Tenerife, Canary Islands, Spain
2 Department of Chemistry, University of Tennessee at Chattanooga, 615 McCallie Avenue, Chattanooga, TN 37403, USA
3 Departamento de Bioqumica, Facultad de Qumica, Universidad de Barcelona, Mart i Franques 1, 08028 Barcelona, Spain
Received: 10 May 1995 / Accepted: 3 November 1996
-- Sherilyn
Artigo 3
Assunto: Reflexões sobre as implicações do oportunismo
para o projeto de Complexidade Irredutível de Behe
Grupos de notícias: talk.origins
Data: 21 de dezembro de 1999
ID da mensagem: 83ohip$515$1@nnrp1.deja.com
Em uma postagem recente neste grupo de discussão, apresentei Melendez (1996) sobre o Ciclo de Krebs como um exemplo de oportunismo em ação na evolução de sistemas complexos.
[link inativo omitido --Ed.]
A importância do artigo é que ele demonstra que, quando as condições são adequadas, sistemas complexos e altamente ajustados podem evoluir por meio de "engenharia molecular" em vez de avançar lentamente por uma paisagem de aptidão através de uma seleção natural passo a passo. Os caminhos individuais do ciclo possuem, de fato, uma função de aptidão—são usados principalmente para a síntese de aminoácidos—mas não desempenham nenhum papel na respiração aeróbica até serem montados na forma básica do ciclo inteiro.
Então, qual é o conjunto mínimo de regras necessário para a evolução de um sistema complexo e altamente ajustado? Vou apresentar algumas ideias na esperança de que alguém possa desenvolvê-las.
1) o sistema deve ser capaz de ser montado com um mínimo de novas partes a partir de sistemas precursoras
2) o conjunto não deve resultar na perda de função dos sistemas precursor
3) os sistemas precursoras devem ser trazidos em contato próximo, e qualquer mudança em suas ligações existentes deve ser justificável como uma melhoria em sua aptidão em algum nível
4) mutações de perda de função (cf: arcos de suporte para uma ponte) são permitidas desde que a construção resultante tenha uma função de aptidão
-- Sherilyn
Artigo 4
Assunto: Behe: Tinkering with function Grupos de discussão: talk.origins, sci.skeptic Data: 24 de dezembro de 1999 Message-ID: 8410gi$tle$1@nnrp1.deja.com
Darwin's Black Box (Touchstone, Nova York, 1996) por Michael Behe, ISBN 0-684-83493-6 (Pbk).
p39.BEGIN QUOTE
Que tipo de sistema biológico não poderia ser formado por "múltiplas modificações sucessivas e sutis?"
Bem, para começar, um sistema que é complexidade irredutível. Por complexidade irredutível, entendo um único sistema composto por várias partes bem ajustadas e interagentes que contribuem para a função básica, onde a remoção de qualquer uma das partes faz com que o sistema cesse efetivamente de funcionar. Um sistema de complexidade irredutível não pode ser produzido diretamente (ou seja, melhorando continuamente a função inicial, que continua a funcionar pelo mesmo mecanismo) por meio de modificações sucessivas e ligeiras de um sistema precursor, porque qualquer precursor de um sistema de complexidade irredutível que esteja faltando uma parte é, por definição, não funcional.
END QUOTE
Behe usa este conceito como um pilar em seu argumento para o design consciente na natureza.
Deve ser evidente a partir do acima que:
(1) Behe afirma que um sistema irredutivelmente complexo não pode ser criado por "múltiplas modificações sucessivas e sutis".
(2) Em seguida, Behe tenta mitigar sua afirmação brincando com a definição da palavra funcional (funcional como quê? A evolução está repleta de exemplos de sistemas desenvolvidos para um propósito e cooptados para outro).
(3) A afirmação de Behe está incorreta. O Ciclo de Krebs (*) é um sistema que se desenvolveu em grande parte por oportunismo, sem qualquer indício de design—Behe pode tecnicamente estar correto ao afirmar que não evoluiu por passos pequenos o suficiente, mas é uma reclamação bastante fraca, já que os passos eram evidentemente pequenos o suficiente para formar sistemas bioquímicos. As partes essenciais já estavam disponíveis na célula e foram simplesmente cooptadas para os fins da respiração aeróbica. Mas ele se encaixa na definição de Behe de um sistema irredutivelmente complexo, embora ele possa desejar negá-lo. É "um único sistema composto por várias partes bem ajustadas e interagentes que contribuem para a função básica, na qual a remoção de qualquer uma das partes faz com que o sistema cesse efetivamente de funcionar", usando a própria definição de Behe do termo "funcionando".
(*) Consulte Melendez (1996) para uma descrição detalhada do papel do oportunismo na evolução do Ciclo de Krebs.
[link inativo omitido --Ed.]
J Mol Evol (1996) 43:293-303
O Enigma do Ciclo do Ácido Cítrico de Krebs: Montando os Pedacos de Reações Quimicamente Viaveis, e o Oportunismo no Design de Vias Metabolicas Durante a Evolucao
Enrique Melendez-Hevia,1 Thomas G. Waddell,2 Marta Cascante 31 Departamento de Bioqumica, Facultad de Biologa, Universidad de La Laguna, 38206 Tenerife, Canary Islands, Spain
2 Department of Chemistry, University of Tennessee at Chattanooga, 615 McCallie Avenue, Chattanooga, TN 37403, USA
3 Departamento de Bioqumica, Facultad de Qumica, Universidad de Barcelona, Mart i Franques 1, 08028 Barcelona, Spain
Received: 10 May 1995 / Accepted: 3 November 1996
Gostaria que o seguinte fosse considerado como um adendo altamente especulativo: é bem possível que, à medida que examinarmos mais sistemas bioquímicos e aprendermos mais sobre como funciona a maquinaria da natureza, mais expectativas sejam frustradas. Já sabemos que a física começa a funcionar de maneira diferente na escala molecular. É possível que a natureza escalonada da seleção natural também seja mais granular nesse nível.
-- Sherilyn
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