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As ATP sintases: Usinas nanomoleculares de energia

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As ATP sintases: Usinas nanomoleculares de energia

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Figura 1. Um desenho "rudimentar" da uma das maiores maravilhas nanomoleculares da Vida: a ATP sintase. O menor e mais eficiente usina deste planeta turbinando nanomolecularmente a produção de energia da Vida.
Um dos requisitos essenciais para a Vida é energia. Organismos vivos precisam de grandes quantidades de energia, e a molécula que armazena e libera a energia da Vida é a adenosina trifosfato representada pela sigla ATP (Figura 2). E há uma necessidade então de uma quantidade enorme dessa molécula. E para sintetizá-la com eficiência e otimização, a Vida necessita de adenosina - uma base nitrogenada heterocíclica, uma molécula de ribose (um açúcar) e três fosfatos. Notem a dificuldade aqui para qualquer processo não guiado que você "queira imaginar" para formar tal molécula. Açúcares são formados de formaldeído - essencialmente - uma molécula altamente reativa. Açúcares são reativos e instáveis, e meios reacionais que permitem síntese de açúcares são incompatíveis com os meios que permitem sínteses de bases nitrogenadas. Ânions fosfatos precipitam na presença de cátions metálicos como o Ca2+, por exemplo. E ligações entre os ânions fosfato envolvem reações lentas, e precisam ser catalisadas por enzimas. Por isso, as rotas de síntese dessa molécula dão um trabalhão danado que só a maquinaria da Vida consegue realizar. E para piorar ainda mais a tarefa, a molécula de ATP é instável, e se hidrolisa com facilidade em água, e exotermicamente (libera calor). E para estabelecer então a terceira ligação fosfato, a mais energética, a Vida precisa ir contra a cinética e a entalpia e usa assim a única forma de vencer tal impecílio termodinâmico: uma máquina, e uma nanomáquina incrível: a ATP-sintase (Figura 1).





Figura 2. A molécula de ATP - um cúmulo de maestria químico - responsável pela energia da Vida.
A ATP sintase é o nome dado a uma verdadeira "usina de energia" nanomolecular feita de turbinas e reatores proteicos que, de uma forma espetacular e engenhosamente arquitetada, sintetizam - e revertem a síntese de - da molécula de ATP (adenosina trifosfato) a partir de ADP (adenosina bifostato) e de ânions fosfato inorgânico nas células (Figura 1). Uma maravilha de tecnologia, engenharia química e mecânica nanomolecular mega inteligente. Esculpida como uma obra de arte química, bela e imponente - aparentando desafiar teorias falidas - a ATP sintase possui o menor motor conhecido neste Universo. E este motor, coisa de profissional, é feito a partir de um balé perfeito e finamente ajustado de um conjunto sincronizado de milhares e milhares de interações inter e intramoleculares. Essa usina apresenta ainda canais de entrada e de saída de prótons, também engenhosamente construídos com extrema maestria e sofisticação, e com precisão estonteante, e com distâncias e forças nanometricamente ajustadas e finamente calculadas com a finalidade de se construir uma usina nanomolecular maximizada para a produção de energia química.
Com uma turbina nanomolecular movida a prótons e que transmite seu movimento através de um rotor molecular, e com canais que dirigem a movimentação desses prótons - coisa tipo escorregadores moleculares -semelhamante aos de parques aquáticos, a ATP sintase tem fascinado a muitos -engenheiros elétricos e químicos principalmente - pela sua perfeição em realizar reações e em produzir energia. Nela, temos ainda "pinos moleculares" que fixam o rotor ao reator químico (unidade F1) catalítico, que acomoda dentro de si os reagentes e literalmente os confinam e os "espremem", para assim acelerar a reação química desejada. E esse aperta e solta é todo promovido por um giro sincronizado - um abre e fecha nanometricamente ajustado - regido por uma peça molecular de forma ovalada tipo virabrequim em comandos de válvulas, daqueles que o homem adicionou aos seus motores a combustão (Figura 3).
Uma reação química fantástica ocorre então na ATP sintase: ADP + PO4- → ATP. E toda a maquinaria da ATP sintase está ali encaixada com perfeição na parede celular da membrana interna da mitocôndria (Capítulo x), aquela "nave celular" hiper mega high tech. E tudo com moléculas homoquirais, AA do tipo L somente. A ATP sintase é assim um show de sofisticação, especificação e aperiodicidade, e complexidade hiper mega irredutível. Desconecte um de seus componentes, perturbe uma de suas formas, troque alguns de seus AA de posição, e são milhares e milhares deles, e o sistema perde a função, por completo. Tente construí-la lentamente, passo a passo, por processos acéfalos não guiados, será que daria? Viável, ao nível molecular? De onde viria a energia para construí-la, se ela é que fornece a energia da Vida? Lembre-se ainda que a energia que a ATP sintase produz é indispensável à Vida, praticamente para todas as formas plenas de Vida. E é energia na hora certa, no fluxo certo! A estrutura da ATP sintase é tão engenhosa que sua elucidação rendeu um Prêmio Nobel, em 1997, tal a enormidade e importância da façanha. Nossas células contêm milhares desses nanomotores embutidos nas suas mitocôndrias, e instalados em suas membranas. E estes nanomotores - nano usinas de energia - são cerca de 200 mil vezes menores que uma cabeça de alfinete. E esse nanomotor está lá com o único objetivo de forçar a ocorrência da uma única reação: a ligação do terceiro fosfato na ADP "esmagando-a" junto com fosfato para formar ATP (Figura 5).
As moléculas de ATP são usadas em processos essenciais na célula, que necessitam de energia, a qual é dela liberada regenerando a ADP e o fosfato livre. A energia produzida é direcionada, por exemplo em humanos, para a contração de músculos, o batimento do coração e os processos no cérebro, enquanto que os produtos da reação são economicamente e sabiamente reciclados. No centro da ATP sintase há um pequeno rotor que gira em torno de 100 rotações por segundo, sintetizando 3 moléculas de ATP por rotação, ou seja, 300 moléculas de ATP por segundo! Só para o nosso pensar e caminhar, reciclamos o proporcional ao nosso peso corporal (80 Kg) de ATP a cada dia. Cada enzima na ATP sintase é composta por 31 outras proteínas que, por sua vez, são feitas de milhares de aminoácidos precisamente arranjados. Retire qualquer uma das 31 proteínas e o motor se torna simplesmente inútil.
A ATP sintase, junto com o Flagelo, é um dos mais "gritantes" exemplos de complexidade mega irredutível que vemos por todo o canto na Vida. E tem mais ainda: todo o conjunto imenso de informações genéticas e de RNA, mais as dezenas de proteínas necessárias para construir a ATP sintase, são no total ainda mais irredutivelmente complexos do que a ATP sintase em si. A fábrica de automóveis é -por princípio - mais irredutivelmente complexa do que o carro que ela fabrica.

Figura 3






*Figura 4. Um virabrequim em funcionamento. Princípio "copiado" da ATP sintase? Seria plágio?
Descrita em maiores detalhes químicos e bioquímicos (tarefa insana), a ATP sintase é um complexo proteico formado de várias proteínas que se encaixam perfeitamente e sincronizadamente - em um balé químico sincronizado - na forma de um "cogumelo". Esta nano usina se encontra aos milhares "instaladas" na membrana interior da mitocôndria (Figura 6). Dois são seus componentes principais: (1) a cabeça – uma região esférica composta pela porção catalítica da enzima, denominado Fator de Ligação 1 ou, simplesmente F1, que mede cerca de 90 Å de diâmetro; e (2) a base – chamada de F0 - que fixa todo o conjunto à membrana interna da mitocôndria. Micrografias de alta resolução revelaram que a cabeça (1) e a parte basal (2) estão unidas por uma haste central – formada por subunidades de F1 e F0 - relativamente estreita (45 Å) que é conectada a um botão periférico de 90-100 Å de diâmetro. Uma mitocôndria situada em células hepáticas humanas possui cerca de 15.000 cópias de ATP sintase



Figura 5. A forma mais eficiente de se realizar uma reação química conhecida nesse Universo: "na marra"! Na ATP sintase, um complexo proteico abraça conjuntamente uma molécula de ADP difosfatada e mais um ânion fosfato (Pi) fornecendo energia e forçando-os "mecanicamente" a reagir (Figura 2). Reação ocorrida "na marra", o motor gira a 8.500 RPM e o complexo proteico "abre" então seus braços, pela ação do virabrequim movido por um motor e rotor, e libera o produto, a molécula de ATP tri-fosfatado. A ATP sintase é o menor motor giratório até hoje conhecido. Para você ter uma ideia de seu tamanho minúsculo, em um milímetro, podem ser agrupadas, lado a lado, aproximadamente cerca de 100 mil ATP sintases. Este motor é movido não por energia elétrica, mas por "energia protônica"; ou seja, por um fluxo contracorrente de prótons.
A ATP sintase seria então produto da evolução acéfala e não guiada ou evidência indesculpável de Design Inteligente? Lembre-se que sem energia não há Vida, e na Vida não há energia sem ATP, e na Vida não há ATP sem a ATP sintase. A ATP sintase é assim mais um dos grandes dilemas "ovo-galinha" da Vida! Pois todos os processos bioquímicos que coordenam o funcionamento e a estrutura da ATP sintase necessitam ser abastecidos da molécula que ela mesma produz: a ATP. Cerca de 14 trilhões de células do seu corpo encontram-se neste momento realizando esta reação bioquímica, via ATP sintases, em cerca de um milhão de vezes por minuto, por meio de mitocôndrias.
Para lhe dar ainda mais detalhes da engenhosidade dessa máquina fabulosa, note que a região F1 da ATP sintase (F1-ATPase) é formada de seis unidades proteicas, e dividida em três pares de sítios ativos. Estas unidades formam regiões que proporcionam o "abraço químico" por meio de locais para encaixe de uma ADP e um fosfato. Um ancorador (ou estator) curva-se sobre a parte externa da estrutura com o objetivo de fixar a base (F0) à cabeça (F1). Três moléculas de ATP são formadas a cada rotação completa do eixo. A engenharia química da ATP sintase se mostra então - não há como negar - mega inteligente e eficiente. O complexo possui um eixo espiral, denominado “Y”, que se encontra no perímetro entre F1 e F0 e que permite a conexão de uma região com a outra, como uma caneta dentro de um tubo de papelão. O Design Inteligente desta máquina nanomolecular faz com que o fluxo de prótons, ao atravessar a membrana, gire o eixo e a base. Portanto, não é o giro da base e do eixo que “atrai” os prótons, como se pensava inicialmente, mas é o fluxo de prótons que gira o motor. O giro ocorre quando o eixo central (y) exerce pressão sobre as paredes internas das seis proteínas da região F1 resultando assim em uma suave deformação estrutural com consequente reformulação de forma alternada. Meu voto aqui para o "cúmulo" da engenharia química nanomolecular desse universo. Caramba, que mente genial que sabia Química como ninguém, para bolar uma coisa assim!
Note ainda que a subunidade F0, que se encontra fixa na membrana da mitocôndria, roda no sentido horário. Lateralmente, anexo a F0, se encontra outra subunidade responsável por servir de canal de entrada para os prótons que serão encaminhados até o motor. O giro é sincronizado ao redor do seu próprio eixo e proporciona que, individualmente, os prótons entrem e saiam, respectivamente. Uma vez que os prótons foram atraídos ao canal de entrada, se conectaram a F0, e acompanharam uma rotação quase completa, eles são agora encaminhados a um canal de saída, presente na mesma estrutura lateral anexa a F0 por onde entraram. A subunidade F1 (F1 ATPase) é a que atrai as moléculas de adenosina difosfato (ADP) e de um fosfato (Pi), que são liberados juntos com a ATP.




Figura 6. Visão 3D ao nível molecular da ATP sintase: nano usina de energia vital à Vida neste planeta.
Mas tem mais maravilha ainda na ATP sintase: o mecanismo rotacional utilizado por F0 é executado rotineiramente quando há uma alta concentração de prótons no citosol e uma baixa concentração de ATP no interior da mitocôndria. Mas quando estas concentrações se invertem, a enzima "entende bioquimicamente" que sua função foi executada com êxito, e que se continuar, promoverá sério desequilíbrio na célula. Controle é tudo! Nesta situação, a ATP sintase "pensa e reage", e e faz com que sua F0 gire agora no sentido contrário, e o mecanismo se inverte, e o canal de saída de prótons agora se torna o canal de entrada, e os prótons do interior da organela retornam ao citosol. Moléculas de ATP são agora reconvertidas em ADP e fosfato livre, em uma "retrorreação" química. Um equilíbrio químico nanomecanicamente dirigido e controlado! Depois que você conhece um pouco melhor, ao nível molecular, esta nanomáquina fantástica, o que você acha: acaso ou design?
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Referências e notas
1. "ATP synthase — a marvellous rotary engine of the cell" M. Yoshida, E. Muneyuki, T. Hisabori, Nature Reviews Molecular Cell Biology 2001, 2, 669.
2. Paul D. Boyer. The ATP Synthase - a splendid molecular machine. Annual Review of Biochemistry, Vol. 66: 717-749 (July 1997)

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