A vida requer energia livre
A vida requer energia livre
Uma célula viva é um sistema que está longe do equilíbrio químico: ela tem uma grande quantidade de energia livre interna, significando que, se for permitido que ela morra e decaia em direção ao equilíbrio químico, uma grande parte da energia será liberada ao ambiente, na forma de calor. Para a célula fazer uma nova célula à sua própria imagem, ela deve adquirir energia livre e matéria-prima do ambiente para realizar as reações sintéticas necessárias. Esse consumo de energia livre é fundamental à vida; quando isso para a célula morre. A informação genética também é fundamental à vida. Existiria alguma conexão?
A resposta é sim: a energia livre é necessária para a propagação da informação e existe, de fato, uma relação quantitativa precisa entre as duas entidades. Para especificar um “bit” de informação – isto é, uma escolha entre sim ou não, entre duas alternativas igualmente prováveis – se gasta determinada quantidade de energia livre (medida em joules), dependendo da temperatura. A prova deste princípio abstrato geral da estatística termodinâmica é árdua depende de uma definição precisa do termo “energia livre”. Entretanto, a ideia básica não é difícil de estender intuitivamente, no contexto da síntese do DNA.
Para se criar uma nova molécula de DNA, com a mesma sequência de uma molécula de DNA existente, os monômeros de nucleotídeos devem ser alinhados com a sequência correta da fita de DNA utilizada como molde. Em cada ponto da sequência, a seleção da sequência de nucleotídeos apropriado é dependente do fato de que o nucleotídeo combinado corretamente se liga ao padrão mais fortemente que os nucleotídeos incorretamente pareados. Quanto maior a diferença na energia de ligação, mais raras serão as ocasiões nas quais os nucleotídeos incorretamente pareados estarão acidentalmente inseridos na sequência. Uma combinação de alta fidelidade, realizada por meio de mecanismos simples e diretos, ou por um caminho mais complexo, com a intervenção de um grupo de reações químicas auxiliares, requer que uma grande quantidade de energia livre seja liberada e dissipada em forma de calor, à medida que cada nucleotídeo é inserido em seu lugar correto na sequência. Isso só poderá ocorrer se o sistema molecular carregar, desde o início, um grande estoque de energia livre. Eventualmente, após a união dos novos nucleotídeos para formar a nova fita de DNA, uma vez nova quantidade de energia livre é necessária para promover a separação da nova fita, uma vez que cada nova fita tem que ser separada de sua antiga fita molde para permitir o início de um novo turno de replicação.
Portanto, as células utilizam energia livre importada, de algum modo de sua vizinhança, para replicar fielmente sua informação genética. O mesmo princípio se aplica à síntese da maioria das moléculas nas células. Por exemplo, na reprodução de RNAs ou de proteínas, a informação genética existente dita sequência da nova molécula por meio de um processo de combinações moleculares, e a energia livre é necessária para acionar as muitas reações químicas que constroem os monômeros a partir da matéria-prima, bem como mantê-los unidos corretamente.