Paso de la información desde los polinucleótidos a los polipéptidosSe ha sugerido que hace 3.5 a 4 mil millones de años, comenzó la evolución de las moléculas autoreplicantes de RNA. De la misma manera que hoy día los organismos compiten para sobrevivir, sistemas compuestos de varios tipos de RNA como los de la figura 6 competían por los precursores que les servían para autoreplicarse. Su capacidad para sobrevivir dependía de la exactitud y eficiencia de la copia, así como de la estabilidad de la misma.Sin embargo, aunque las moléculas de RNA son muy adecuadas para codificar y mantener información con sólo cuatro nucleótidos, no lo son tanto para catalizar reacciones complejas. Los polipéptidos , que están compuestos por muchos más aminoácidos, son mucho más capaces de crear puntos activos catalíticos por plegamiento de sus cadenas. Incluso, algunos polipéptidos creados al azar por unión de aminoácidos pueden haber mostrado capacidades catalíticas superiores a las propias del RNA para la replicación de este. De esta forma, cualquier sistema de RNAs con un polipéptido catalítico asociado habría tenido mayores probabilidades de sobrevivir y de igual manera, un polinucleótido capaz de estimular la síntesis de un polipéptido catalítico habría presentado grandes ventajas sobre los demás. ¿Como pudieron los polinucleótidos ejecutar tal tarea?¿Como pudo la información codificada en sus secuencias especificar las secuencias de diferentes tipos de polímeros? Sabemos que los polinucleótidos pueden actuar como catalizadores para unir diferentes aminoácidos. Hoy día, la síntesis de proteínas se lleva a cabo mediante un conjunto de sistemas en los que juegan un importante papel distintos tipos de RNA. Sin embargo, en el proceso intervienen también diferentes proteínas previamente sintetizadas. Esquematizando, la síntesis de proteínas tiene lugar de la forma siguiente:
Hoy día, estos procesos de ensamblaje de aminoácidos tiene lugar en la superficie de los ribosomas, partículas complejas constituídas por varias moléculas de RNA de un nuevo tipo y de por lo menos 50 proteínas. Este RNA tiene un papel catalítico fundamental y constituye del 60% del ribosoma. Esto indica, al menos desde un punto de vista evolutivo, la importancia del RNA en la primitiva síntesis dirigida de proteínas. De esta forma, el RNA fué capaz de ir creando herramientas - en forma de proteínas- para una síntesis cada vez más eficiente de sí mismo y de nuevas moléculas polinucleóticas y polipéptidicas. La síntesis de proteínas bajo la tutela de un RNA requirió la evolución de un código, el código genético, por el cual determinadas secuencias de nucleótidos especifican la secuencia de aminoacidos que forman la proteina. Este código está formado por conjuntos de tres nucleótidos o "tripletes", cada uno de los cuales codifica para un determinado aminoácido. Este código parece haber sido seleccionado aleatoriamente y está presente en todas las formas de vida, lo que sugiere que todas las células de hoy descienden de una línea celular primitiva que surgió del perfeccionamiento del mecanismo se la síntesis de proteínas. Una vez que la evolución de los ácidos nucleicos llegó al punto de disponer de estas moléculas proteicas catalíticas, los enzimas, la proliferación del sistema replicante pudo acelerarse grandemente, como ocurre hoy día con algunos virus bacterianos que una vez entran en la célula y se apoderan de la maquinaria de esta dirigen la síntesis de RNA para autoreplicarse de forma explosiva. Formación de la membranaEs probable que uno de los acontecimientos cruciales en la evolución desde los sistemas autoreplicantes a la primera célula haya sido la formación de una membrana. La necesidad de mantener una alta concentración de proteínas en las proximidades de un sistema autoreplicante de RNA y de evitar que otros sistemas vecinos se beneficiasen de las propiedades catalíticas de estas proteínas (figura 8) condujo al siguente paso de la evolución: el aislar el sistema de RNA autoreplicante con sus proteinas catalíticas mediante membrana que permitiese que tales proteínas sólo pudieran ser utilizadas por el RNA que las generaba.Existen unas moléculas, llamadas anfipáticas, que contienen una parte hidrófila (soluble en agua) y una parte lipófila (insoluble en agua) que se prestan especialmente para la formación de tales membranas. Estas moléculas se alínean en la interfase aceite-agua formando una monocapa (figura 9a); cuando se colocan en agua se agregan unas con otras espontáneamente formando unas bicapas que se cierran en pequeñas vesículas cuyo contenido acuoso está aislado del medio exterior (figura 9b). Las células de hoy están rodeadas de membranas formadas principalmente por fosfolípidos que adoptan esta configuración de bicapas que tienen unos 5 nm de ancho y que pueden verse perfectamente al microscopio electrónico. Estas membranas aislan las células del medio externo hostil y limita el espacio ocupado por la célula. Se ignora en qué momento de la evolución se formó la primera célula. Pueden haberse originado en el momento en que las primeras moléculas de fosfolípidos rodearon en una vesícula bicapa un sistema autoreplicante de RNA. Sin embargo, parece más probable que antes de que estos sistemas primitivos evolucionaran a células tuvo que ponerse en marcha la síntesis de proteínas. Las primeras célulasTodo lo expuesto anteriormente es puramente especulativo ya que no existen fósiles de las células primitivas. Se supone que la síntesis prebiotica de pequeñas moléculas, la formación de RNA autocatalítico y la translación de las secuencias de RNA a los primeros polipéptidos catalíticos tuvieron lugar hace 3.500 o 4.000 millones de años.Las primeras células debieron ser mucho más simples que las células más simples que hoy se conocen. Estas son los micoplasmas, pequeños organismos parecidos a bacterias, parásitos de células animales o vegetales. Tienen un tamaño de 0.3 a 0.5 mm y dirigen la síntesis de unas 750 proteínas entre catalíticas y estructurales; algunas de estas están en el interior de la célula, otras están embebidas en la membrana. A pesar de su simplicidad, los micoplasmas sintetizan todas las moléculas necesarias para su conservación y reproducción. Las células primitivas tenían, sin embargo, una importante diferencia con el micoplasma actual: este último tiene su información genética codificada en moléculas de DNA mientras que la célula primitiva seguramente utilizaba RNA con esta finalidad. Ambos tipos de ácidos nucleicos están presentes en la célula de hoy; sin embargo son utilizados con distintas finalidad. El DNA, más estable y con una doble hélice es preferido para mantener y transmitir la información genética, mientras que el RNA cumple la función de dirigir la síntesis de proteínas (RNA-mensajero) y de catálisis (RNA-ribosomal). En resumen, es muy probable que el RNA fuera el primero en la evolución, con sus propiedades genéticas y catalíticas; una vez que la síntesis proteica se hubo constituído, el DNA sustituyó al RNA en las funciones genéticas, mientras que las proteínas se ocupaban en las funciones catalíticas. El RNA se mantuvo como producto intermediario interconectando ambos. El DNA surgió seguramente cuando la creciente complejidad de la información genética necesaria para la viabilidad de la célula primitiva requirió una forma más estable que la que podría ofrecer el RNA DESDE LA CELULA PROCARIOTICA A LA EUCARIOTICAEvolución de las primeras célulasUn importante hito en la historia de la evolución fué la aparición de las primeras células procarióticas, células relativamente sencillas que se supone emergieron hace unos 1.500 millones de años.Las células procarióticas son los organismos más sencillos que se encuentran practicamente en todos los ambientes naturales. Tienen una forma esférica o abastonada de una longitud de algunas micras. En ocasiones disponen de una pared celular protectora por fuera de la membrana celular que engloba un único compartimento que contiene el DNA, RNA, proteínas y otras pequeñas moléculas. En ocasiones disponen de flagelos y de órganulos aptos para la fotosíntesis. Las microfotografías electrónicas de los organismos procarióticos muestran una matriz de textura variable sin ninguna estructura organizada. Las bacterias se multiplican por división. Cuando las condiciones ambientales son adecuadas (nutrientes, oxígeno, temperatura, etc) una única célula procariótica se puede dividir cada 20 minutos, originando una población de unos 5.000 millones de individuos en 11 horas. Esta capacidad de multiplicación explica como las bacterias pueden adaptarse muy rápidamente al medio ambiente. Así, bajo condiciones de laboratorio, se puede conseguir que una bacteria experimente una mutación espontánea y evolucione para adaptarse a un nuevo azúcar como fuente de carbohidratos o se haga resistente a un antibiótico. Las bacterias se clasifican en dos grandes grupos de acuerdo con su habitat (figura 10):
Las reacciones metabólicasUna bacteria creciendo en un medio salino glucosado como única fuente de carbono lleva a cabo un enorme número de reacciones químicas, ya que utilizará la glucosa como fuente de energía, pero también construirá a partir de este azúcar todas las sustancias químicas que necesita para su desarrollo y multiplicación. Todas estas reacciones químicas están unidas entre sí a lo largo de la llamada cadena metabólica.En la célula primitiva, esta cadena metabólica no debía tener excesiva importancia ya que la célula extraía las pocas moléculas necesarias para su subsistencia de la "sopa prebiótica". Sin embargo, cuando estos recursos naturales se agotaron, los organismos que habían desarrollado sistemas enzimáticos capaces de crear las moléculas necesarias, estuvieron en ventaja. De esta forma se cree que la cadena metabólica fué aumentando en complejidad hasta llegar a la presente en los organismos de hoy día. Si la hipótesis de que la cadena metabólica evolucionó mediante sucesivos añadidos de pasos enzimáticos, está claro que las reacciones más antiguas, deben estar más próximas del "centro del tronco" metabólico, donde se sitúan las reacciones más vitales y además deben ser compartidas por todos las células vivientes. Este tronco metabólico está ocupado por la glicolisis, proceso por el cual la glucosa es degradada anaeróbicamente (en ausencia de oxígeno dado que la atmosfera primitiva no contenía oxígeno). La glicolisis tiene lugar virtualmente en todas las células y produce ATP (adenosina trifosfato), la fuente más vérsatil de energía utilizada por todas las células. Unidas a estas reacciones de los fosfatos de azúcares existen cientos de otras reacciones: algunas son responsables de la síntesis de pequeñas moléculas que son utilizadas a su vez para la construcción de moléculas más complejas, otras son empleadas para degradar grandes moléculas proporcionadas por los alimentos en moléculas más pequeñas. Esta reacciones metabólicas son comunes a todos los seres vivos. Existen diferencias evidentemente: algunas especies no son capaces de producir determinadas sustancias (por ejemplo el hombre y otros animales superiores no pueden fabricar el aminoácido lisina, que es sintetizado por cualquier bacteria), pero en general existe una amplia concordancia de procesos químicos en todos los seres vivos, prueba de una evolución a partir de una célula primitiva común. La fotosíntesisSi los primeros procesos metabólicos evolucionaron para llenar el vacío de compuestos orgánicos de la "sopa prebiótica" cabe preguntarse que pasó cuando estos compuestos se agotaron. Está claro que aquellos organismos capaces de utilizar como fuentes de carbono el CO2 y como fuente de nitrógeno el N2 atmosférico estaban en mejores condiciones de sobrevivir. Sin embargo, aunque muy abundantes en la atmósfera, ambos compuestos son muy estables y se requieren mucha energía y un elevado número de reacciones para convertirlos en productos sencillos como azúcares o aminoácidos.En el caso de la captación del CO2 se creó un mecanismo, la fotosíntesis, mediante el cual la energía radiante procedente del sol es capturada por un pigmento, la clorofila. Esta energía es utilizada posteriormente por la célula para sintetizar las moléculas que necesita. Una de las primeras reacciones inducidas por la luz solar fué, probablemente, la fosforilización de los nucleótidos para originar el ATP, comodín energético de las células. Otras reacción probable fué la reducción del CO2 y del N2 para permitir su incorporación a moléculas orgánicas. La reducción - incorporación de electrones - fué inicialmente realizada a partir del SH2 y luz solar, y posteriormente a partir del H2O y luz solar. De esta forma, se inició la producción en gran escala del O2, como producto secundario de la fotosíntesis. Las cianobacterias (también llamadas algas azules) son microrganismos actuales capaces de fijar el CO2 y el N2 de la atmósfera, y quizás sean los organismos más autosuficientes que existan ya que, en principio, pueden vivir sólo de agua y luz solar. Conjuntamente con otras bacterias que tienen estas propiedades, las cianobacterias, que se han mantenido constantes desde hace miles de millones de año, crearon las condiciones idóneas para que otros organismos pudieran evolucionar más fácilmente La respiraciónSiendo el oxígeno una sustancia altamente reactiva debió de ser tóxica para los organismos primitivos, de la misma manera que hoy día sigue siendo tóxica para los microrganismos anaerobios. Por este motivo y para aprovechar su energía química, las células primitivas aprendieron a utilizar este elemento para mejorar los procesos de degradación de las moléculas alimenticias. Así, mientras que en ausencia de oxígeno la glucosa puede ser degradada a ácido láctico o metanol (con producción de 2 moléculas de ATP), en presencia de oxígeno es degradada a CO2 y H2O con producción de 6 moléculas de ATP. La energía producida en este proceso, denominado respiración, es utilizado por la célula para su metabolismo y producir nuevas moléculas de la misma manera que la fotosíntesis produce ATP en los organismos fotosintéticos. La respiración es el proceso empleado hoy día por la mayoría de los organismos incluyendo la mayor parte de los procariotas. |
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