Origen de la vida: la evolución prebiótica y la formación de moléculas orgánicas, Resúmenes de Biología

¡Descarga Origen de la vida: la evolución prebiótica y la formación de moléculas orgánicas y más Resúmenes en PDF de Biología solo en Docsity! TEXTO 1 Las primeras cosas vivientes surgieron de las no vivientes A mediados del siglo XIX, Louis Pasteur, en Francia, y John Tyndall, en Inglaterra, desacreditaron la idea de “caldo para los microorganismos” al mostrar que éstos no aparecían en caldo estéril a menos que el caldo se expusiera primero a microorganismos existentes en el ambiente circundante. Aunque la obra de Pasteur y Tyndall demolió la noción de generación espontánea, no abordó la cuestión de cómo se originó la vida en la Tierra en primer lugar. O, como dice el bioquímico Stanley Miller: “Pasteur nunca probó que no pasara una vez; él sólo demostró que no pasa todo el tiempo”. Las ideas científicas modernas acerca del origen de la vida comenzaron a surgir en la década de 1920, cuando Alexander Oparin, en Rusia, y J. B. S. Haldane, en Inglaterra, observaron que la atmósfera rica en oxígeno de hoy no habría permitido la formación espontánea de las complejas moléculas orgánicas necesarias para la vida. El oxígeno reacciona fácilmente con otras moléculas, lo que perturba enlaces químicos. Por ende, un ambiente rico en oxígeno tiende a mantener las moléculas simples. Oparin y Haldane especularon que la atmósfera de la Tierra joven debió contener muy poco oxígeno y que, bajo tales condiciones atmosféricas, pudieron surgir moléculas orgánicas complejas a través de reacciones químicas ordinarias. Algunos tipos de moléculas podrían persistir mejor que otras en el ambiente sin vida de la Tierra temprana y por tanto se volverían más comunes con el tiempo. Esta versión química de la “supervivencia del más apto” se llama evolución prebiótica (que significa “antes de la vida”). En el escenario vislumbrado por Oparin y Haldane, la evolución química prebiótica dio lugar a moléculas cada vez más complejas y con el tiempo a organismos vivientes. Las moléculas orgánicas pueden formarse de manera espontánea bajo condiciones prebióticas Inspirados por las ideas de Oparin y Haldane, Stanley Miller y Harold Urey se dispusieron, en 1953, a simular la evolución prebiótica en el laboratorio. Ellos sabían que, sobre la base de la composición química de las rocas que se formaron temprano en la historia de la Tierra, los geoquímicos habían concluido que la atmósfera temprana con probabilidad casi no contenía gas oxígeno, pero sí metano (CH4), amoniaco (NH3), hidrógeno (H2) y vapor de agua (H2O). Miller y Urey simularon la atmósfera libre de oxígeno de la Tierra temprana al mezclar estos componentes en un matraz. Chispas eléctricas imitaron la intensa energía de las tormentas eléctricas de la Tierra temprana. En este microcosmos experimental, los investigadores descubrieron que, después de algunos días, aparecían moléculas orgánicas simples (FIG. 18- 2). El experimento demostró que pequeñas moléculas, tal vez presentes en la atmósfera temprana, pueden combinarse para formar moléculas orgánicas más grandes si se presenta energía eléctrica. (Recuerda del Capítulo 6 que las reacciones que sintetizan moléculas biológicas a partir de unas más pequeñas son endergónicas: consumen energía.) Experimentos similares realizados por Miller y otros produjeron aminoácidos, péptidos, nucleótidos, adenosín trifosfato (ATP) y otras moléculas características de los seres vivientes. En años recientes, nueva evidencia ha convencido a la mayoría de los geoquímicos de que la composición real de la atmósfera temprana de la Tierra tal vez difirió de la mezcla de gases utilizados en el experimento pionero Miller-Urey. Sin embargo, experimentos más recientes con atmósferas simuladas que se parecen más a la probable atmósfera de la Tierra temprana también han producido moléculas orgánicas. Además, estos experimentos han demostrado que la electricidad no es la única fuente de energía disponible. Otras fuentes de energía que estuvieron disponibles en la Tierra temprana, como calor o luz ultravioleta (UV), también pueden impulsar la formación de moléculas orgánicas en simulaciones experimentales de condiciones prebióticas. Por ende, aun cuando nunca se pueda saber con exactitud cómo era la atmósfera temprana, se puede asegurar que en la Tierra temprana se formaron moléculas orgánicas. Moléculas orgánicas adicionales tal vez llegaron desde el espacio cuando meteoritos y cometas chocaron en la superficie de la Tierra. El análisis de meteoritos actuales recuperados de cráteres de impacto sobre la Tierra revela que algunos meteoritos contienen concentraciones relativamente altas de aminoácidos y otras moléculas orgánicas simples. Experimentos de laboratorio sugieren que estas moléculas pudieron formarse en el espacio interestelar antes de caer a la Tierra. Las moléculas orgánicas pueden acumularse bajo condiciones prebióticas La síntesis prebiótica no fue ni muy eficiente ni muy rápida. No obstante, con el tiempo se acumularon grandes cantidades de moléculas orgánicas. En la actualidad, la mayoría de las moléculas orgánicas tienen una vida corta porque o las digieren los organismos vivientes o reaccionan con el oxígeno atmosférico. Sin embargo, la Tierra temprana carecía tanto de vida como de oxígeno libre, de modo que las moléculas orgánicas no se habrían expuesto a estas amenazas. Sin embargo, las moléculas prebióticas pudieron descomponerse mediante otras reacciones químicas o por la radiación UV de alta energía del Sol. Aunque la luz UV puede proporcionar energía para la formación de moléculas orgánicas, también puede descomponerlas. Sin embargo, investigadores de laboratorio han identificado las condiciones bajo las cuales las moléculas que tal vez estaban presentes en la Tierra prebiótica eran estables y podían persistir e incluso unirse para formar moléculas más complejas. ¿Dónde se habrían encontrado tales condiciones en la Tierra temprana? Las posibilidades incluyen las aguas de manantiales térmicos ricos en minerales, parches cubiertos bajo lechos rocosos en el borde marino, poros en las columnas de roca que se forman en las chimeneas hidrotermales en el fondo marino y pequeñas fisuras entre cristales de hielo.j TEXTO 2 Estudio del camino a través del sistema endomembranoso La idea de que los materiales se movían a través del sistema endomembranoso de una forma ordenada se inspiró en una sencilla observación. Según las microfotografías electrónicas, las células que secretan enzimas digestivas, hormonas u otros tipos de productos tienen una cantidad especialmente grande de RE rugoso y Golgi. Esta correlación llevó a la idea de que dichos orgánulos pueden participar en una “vía secretora” que empieza en el RE rugoso y TEXTO 3 Mitocondria Los biólogos piensan que el nucleótido ATP es un tipo de moneda celular porque transporta energía entre las reacciones. Las células requieren mucho ATP. La forma más eficiente en que pueden producirlo es mediante la respiración aeróbica, una serie de reacciones que requieren oxígeno y que recogen la energía en azúcares al romper sus enlaces. En eucariontes, la respiración aeróbica ocurre dentro de organelos llamados mitocondrias. La estructura de una mitocondria está especializada para llevar a cabo reacciones de respiración aeróbica. Cada mitocondria tiene dos membranas, una altamente plegada dentro de la otra (FIGURA 4.13). Esta disposición crea dos compartimentos: uno externo (entre las dos membranas) llamado espacio intermembranal y uno interno (dentro de la membrana interna) llamado matriz mitocondrial. Los iones de hidrógeno se acumulan en el compartimento exterior. Esta acumulación empuja a los iones, a través de la membrana interna, al compartimento interno y este flujo impulsa la formación de ATP. Con solo una excepción hasta el momento, todas las células eucariontes (incluidas las células vegetales) tienen mitocondrias, pero el número varía según el tipo de célula y según el organismo. Por ejemplo, los organismos unicelulares como la levadura pueden tener solo una mitocondria, pero las células del músculo esquelético humano tienen miles o más. En general, las células que tienen la mayor demanda de energía tienden a tener la mayoría de las mitocondrias. Las mitocondrias varan en tamaño dependiendo de la célula, pero la mayora mide entre 1 y 4 micrómetros de largo. Cada una es capaz de cambiar su forma, ya sea que se alargue, se encoja o se ramifique. También se pueden dividir o fusionar con otra mitocondria. Las mitocondrias se parecen a las bacterias. Por ejemplo, tienen su propio ADN, que es circular y, por lo demás, similar al ADN bacteriano. También se dividen independientemente de la célula y tienen sus propios ribosomas. Estas características llevaron a la teoría de que las mitocondrias evolucionaron a partir de bacterias que tomaron residencia permanente dentro de una célula huésped. Algunos eucariontes que viven en ambientes libres de oxígeno tienen mitocondrias modificadas llamadas hidrogenosomas las cuales producen hidrógeno, además de ATP. Al igual que las mitocondrias, los hidrogenosomas tienen dos membranas. A diferencia de las mitocondrias, no tienen ADN, por lo que no pueden dividirse independientemente de la célula. Hipótesis endosimbiótica Las mitocondrias y los cloroplastos se parecen a las bacterias en tamaño y forma, y estos organelos se replican independientemente de la célula eucarionte que los contiene. Estos organelos tienen su propio genoma que, como en la mayoría de los procariontes, es un solo cromosoma circular. Tienen ribosomas que se parecen a los ribosomas bacterianos. También tienen al menos dos membranas externas, y su membrana ms interna es similar a una membrana plasmática bacteriana. El reconocimiento de estas similitudes lleva la formulación de la hipótesis endosimbiótica la cual establece que las mitocondrias y los cloroplastos evolucionaron a partir de las bacterias. (Endosimbiosis significa vivir dentro y se refiere a una relación en la que un organismo vive dentro de otro). Casi todos los linajes eucariontes tienen mitocondrias u organelos similares a las mitocondrias, pero solo algunos tienen cloroplastos. Por tanto, los biólogos postulan que los dos tipos de organelos se adquirieron de forma independiente en la secuencia ilustrada en la FIGURA 19.10. Evolución de las mitocondrias La evolución de las mitocondrias por endosimbiosis probablemente comenzó cuando las bacterias capaces de respirar aeróbicamente entraron en una célula de arquea, o en un eucarionte temprano descendiente de arqueas. Cuando la célula hospedera se dividió pasó algunas bacterias invitadas, denominadas endosimbiontes, junto con su descendencia. Dado que el hospedero y sus endosimbiontes bacterianos vivieron juntos durante muchas generaciones, ambos evolucionaron. Los endosimbiontes perdieron la capacidad de construir estructuras que ya no necesitaban como una pared celular. Algunos genes relacionados con el metabolismo del endosimbionte se movieron al genoma del hospedero. Los genes redundantes fueron eliminados; un gen pudo perder su función en cualquiera de los compañeros si un gen similar en el otro compañero todavía estaba trabajando. Eventualmente, el hospedero y el endosimbionte se volvieron incapaces de vivir de manera independiente. En ese punto los endosimbiontes se habían convertido en mitocondrias. TEXTO 4 Venenos despiadados JUSTIN SCHWARTZ, de 13 años de edad, disfrutaba sus tres semanas de campamento de verano cerca del parque nacional Yosemite. Pero todo cambió cuando, después de caminar más de siete kilómetros, Justin descansó sobre unas rocas soleadas, con las manos colgando laxamente a sus costados. Súbitamente sintió un dolor punzante en su palma izquierda. Una víbora de cascabel de 1.5 m de largo, tal vez por sentirse amenazada por el brazo colgante de Justin, atacó sin advertencia. Sus compañeros de campamento comenzaron a gritar alarmados conforme la víbora se deslizaba bajo tierra, pero Justin se enfocó en su mano, donde su palma estaba hinchada y el dolor se volvía insoportable. De pronto se sintió débil y mareado. Conforme los supervisores y compañeros pasaban las siguientes cuatro horas llevándolo al campamento, el dolor y la decoloración se extendieron por el brazo de Justin, y su mano se sentía como si fuese a explotar. Un helicóptero lo transportó a un hospital, donde cayó inconsciente. Un día después, recuperó el conocimiento en el centro médico Davis de la Universidad de California. Ahí, Justin pasó más de un mes sometido a 10 cirugías, que se le practicaron para aliviar la enorme presión por la inflamación de su brazo, remover tejido muscular muerto y comenzar el largo proceso de reparar el extenso daño a su mano y brazo. El calvario de DIANE KIEHL comenzó tan pronto como se vistió para una celebración informal con su familia, al ponerse los pantalones de mezclilla que había lanzado en el piso del baño la noche anterior. Al sentir el pinchazo en su muslo derecho, se arrancó los pantalones y observó con irritación cómo se arrastraba una araña de largas patas. Al vivir en una vieja casa en las campiñas de Kansas, Diane creció acostumbrada a las arañas, que con frecuencia eran inofensivas, pero ésta fue una excepción: una reclusa parda. Las dos pequeñas heridas de picadura parecían simplemente una molestia menor hasta el día siguiente, cuando en el sitio apareció un extenso sarpullido que le causaba mucha comezón. Hacia el tercer día, un dolor intermitente pinchaba como cuchillo a través de su muslo. Un médico le dio analgésicos, esteroides para reducir la inflamación y antibióticos para combatir las bacterias introducidas por las piezas bucales de la araña. Los siguientes 10 días fueron una pesadilla de dolor debido al crecimiento de la hinchazón, ahora cubierta con ampollas supurantes y con coágulos bajo ella. La lesión tardó cuatro meses en sanar. Incluso un año después, Diane a veces sentía dolor en la gran cicatriz que permaneció. ¿Cómo el veneno de las víboras de cascabel y de la reclusa parda causan daño en los vasos sanguíneos, desintegración de piel y tejido, y en ocasiones síntomas que amenazan la vida a lo largo del cuerpo? ¿Qué tienen que ver los venenos con las membranas celulares? Algunos de los efectos más devastadores de ciertos venenos de serpientes y arañas ocurren porque contienen fosfolipasas, enzimas que rompen los fosfolípidos. Ahora sabes que los fosfolípidos son un componente principal de las membranas celulares, que aísla el contenido de la célula de sus alrededores. Conforme los fosfolípidos se degradan, las membranas se A AE Ec lc HIPÓTESIS: el colesterol reduce la permeabilidad porque rellena espacios enlas bicapas de fosfolípidos. HIPÓTESIS NULA: el colesterol no tiens ningún efecto sobre la permeabilidad. DISEÑO DEL EXPERIMENTO Fosfolípidos Colesterel 1. Construir liposomas: sin colesterol, con 20% de colesterol, y con 50% de colesterol. 2. Medir el movimiento del glicerol: registrar con qué velocidad atraviesa el glicero! cada tipo de membrana a distintas temperaturas. Glicerol PREDICCIÓN: los liposomas con niveles más altos de colesterol tendrán una permenbilidad al gicerol reducida. PREDIGCIÓN DE LA HIPÓTESIS NULA: todos los liposomas tendrán la misma permeabilidad al glicerol. RESULTADOS E E Sin colesterol 5 É 3 23 20% de lípidos 35 = colesterol 2 a 50% de lípidos = colesterol E 0 10 20 30 Temperatura (C) CONCLUSIÓN: la adición de colesterol a las membranas disminuye. su permeabilidad al gliceral. La permeabilidad de todas las membranas analizadas en este experimento aumenta al incrementarse la temperatura. Figura 6.10 La permeabilidad de una membrana depende de su composición. Los fosfolípidos se mueven lateralmente todo el tiempo, pero rara vez se dan la vuelta para pasar al otro E IM Cr OOO Figura 6.11 Los fosfolípidos se mueven dentro de las membranas. Las membranas son dinámicas, en parte porque las moléculas de fosfolípidos se mueven lateralmente de forma aleatoria dentro de cada capa de la estructura.