DESDE LAS
BIOMOLECULAS A LA PRIMERA CELULA
Todas las criaturas vivas están constituídas por células - pequeños compartimentos bordeados de una membrana y rellenos de una solución de sustancias químicas- . Las formas más simples de vida son células solitarias que se multiplican dividiéndose en dos. Los restantes organismos, incluyendo al ser humano, están constituídos por agrupaciones de células que llevan a cabo determinadas tareas y que se comunican con otros grupos mediante sofisticados procedimientos de señales.
Todos los organismos y todas las células que los constituyen
proceden, por un proceso todavía no bien conocido, de un antecesor común. Este
proceso, denominado evolución, implica dos procesos bien definidos:
- la variación,
mediante la cual de una forma aleatoria se produce un cambio en la
información genética
- la selección,
en favor de aquellos individuos mejor preparados para sobrevivir y
propagarse
En este capítulo veremos la progresión desde las moléculas
hasta los organismos multicelulares. Seguidamente, estudiaremos las estructuras
fundamentales de las células eucarióticas (células que disponen de una anatomía
intracelular estructurada a diferencia de las células procarióticas que carecen
de estas estructuras)
Se pueden formar moléculas sencillas en las condiciones
prebióticas
Aunque se no conoce con exactitud la composición de la
atmósfera primitiva, se cree que además de vapor de agua, contenía dióxido de
carbono, metano o amoníaco e hidrógeno. También se postula una intensa
actividad volcánica con elevadas temperaturas, lluvias torrenciales y continuas
tormentas eléctricas. Además, no había oxígeno libre ni capa de ozono que
protegiera la Tierra de la radiación ultravioleta.
Bajo estas condiciones ambientales se formaron seguramente
las primeras moléculas orgánicas, cianuro de hidrógeno, formaldehido, acido
acético, etc, que pudieron reaccionar fácilmente para formar los cuatro
componentes fundamentales de la vida:
- aminoácidos
- azúcares
- grasas
- nucléoticos
Esta hipótesis ha sido comprobada mediante experimentos de
laboratorio: S.L.Miller (1963) mostró que si una mezcla
de gases tales como metano, amoníaco, dióxido de carbono e hidrógeno se
calentaban con vapor de agua y se sometía a descargas electricas y o radiación
ultravioleta durante varias semanas, se formaban los cuatro tipos de molécula (figura 1)
Las moléculas sencillas como los aminoácidos o los
nucleótidos se pueden asociar para formar largos polímeros. Un aminoácido puede
unirse a otro a través de un enlace peptídico y un nucleótido puede unirse con
otro a través de un enlace fosfodiester. La repetición de estas reacciones
conduce, respectivamente, a un polipéptido y a un polinucleótido, componentes
fundamentales hoy día de las proteínas y de los ácidos ribonucleicos y
desoxiribonucleicos. Las proteínas están construídas por un conjunto de 20
aminoácidos, mientras que los ácidos nucleicos están compuestos exclusivamente
por 4 tipos de nucleótidos.
Los polímeros primitivos pueden haberse formado de varias
maneras, por ejemplo por calentamiento de los constituyentes orgánicos en seco
o por reacción catalizada por altas concentraciones de polifosfatos
inorgánicos. En condiciones de laboratorio, el resultado son polímeros de
longitud variable, cuyos componentes están posicionados de forma
aleatoria (figura
2). Sin embargo, una vez que se ha formado un polímero, puede influir sobre
la formación de un nuevo polímero, ya que puede actuar como "molde"
en una nueva reacción de polimerización. En efecto, los nucleótidos tienen la
propiedad de emparejarse mediante la formación de enlaces de hidrógeno, de tal
manera que un polímero (por ejemplo, el poli U) induce la formación del
polímero complementario (poli A) (figura 3)
El emparejamiento específico de los nucléotidos
probablemente jugó un papel decisivo en el nacimiento de la vida. Consideremos,
por ejemplo, un fragmento de RNA contiendo las 4 bases: Adenina A,
Uracilo U , Citosina C y
Guanina G . Gracias a la complementaridad de las bases, si este RNA se
añade a una mezcla de nucleótidos activados en una condiciones que favorezcan
la polimerización, se creará un RNA complementario del primero. Es decir, las
muevas moléculas son como el vaciado del molde original en donde A ha sido
sustituído por U, C por G y así sucesivamente. La información contenida en la
secuencia original es, de alguna forma, preservada en las copias, ya que en una
segunda vuelta de polimerización, estas generarán RNA idéntico al original (figura 4).
De esta forma, la información genética contenida en la secuencia de nucleótidos
es pasada de generación en generación mediante este proceso de emparejamiento
de bases complementarias.
Sin embargo, estos mecanismos de duplicación requieren de la
presencia de un catalizador. Sin este, la reacción es lenta y poco eficiente y
otras reacciones secundarias pueden interferir impidiendo la formación de
réplicas exactas. Hoy día, la catálisis de esta reacción es realizada por una
proteína, la DNA-polimerasa no existente en la "sopa
prebiótica". En los tiempos primitivos la función de catálisis pudo
haber sido cumplida por iones metálicos y minerales como la arcilla. Pero, lo
que es más importante, el propio RNA pudo actuar como catalizador. En efecto,
el RNA, además de actuar como molde para la replicación, tiene la posibilidad
de formar plegamientos intramoleculares formando superficies complejas que
catalizan reacciones específicas.
En los procesos de copia como el descrito anteriormente, es
inevitable que se produzcan errores y que en alguna copia una base sea
sustituída por otra. De esta forma, a partir de una molécula original pueden
haberse generado multitud de variaciones. Ahora bien, estas moléculas tienen
unas propiedades químicas específicas y una secuencia determinada de bases
confiere a la molecula un comportamiento diferente. En particular, la secuencia
de bases determina como la molécula puede plegarse sobre sí misma cuando está
en solución. En efecto, de la misma manera que en la replicación, las bases de
una secuencia se emparejan con las bases complementarias libres que están en
solución, en una molécula única de RNA de gran tamaño, pueden producirse
emparejamientos de secuencias complementarias que existan dentro del polímero.
Así, por ejemplo, si dentro de una molécula de RNA existe la secuencia AAAAA,
esta podrá emparejarse con una secuencia UUUUU que exista en otra parte de la
molécula (Figura
5). Este tipo de asociaciones produce un plegamiento característico que
depende únicamente de la secuencia de nucleótidos.
La estructura tridimensional de un polinucleótido afecta su
estabilidad química, sus acciones sobre otras moléculas y su capacidad para
replicarse, de tal forma que no todas las moléculas son igualmente viables en
una mezcla replicante. Estudios de laboratorio han demostrado que algunas
moleculas de un sistema replicante de RNA experimentan una selección natural,
predominando algunas secuencias favorables, dependiendo de las condiciones
experimentales.
Así pués, la molécula de RNA tiene dos propiedades
fundamentales:
- lleva
información codificada en una secuencia de nucleótidos, secuencia que
puede transferir por replicación
- tiene
una estructura tridimensional única que determina como interaccionará con
otras moléculas y como responderá a las condiciones ambientes
Estas dos propiedades - informacional y funcional - son las
dos propiedades fundamentales de la evolución. La información codificada del
RNA es igual al genotipo - información hereditaria -, mientras
que la forma 3D es igual al fenotipo - expresión de la
información genética -
La selección natural depende del medio ambiente y para una
molécula de RNA replicante es importante la presencia de otras moléculas de RNA
en el medio. Además de su papel como moldes, algunas moléculas de RNA con unos
plegamientos determinados pueden actuar como catalizadores de algunas
reacciones químicas incluyendo la ruptura y la formación de enlaces covalentes,
incluyendo enlaces entre nucleótidos. Así, por ejemplo, un RNA especializado
puede catalizar el corte de otro RNA o de sí mismo en una secuencia
determinada. Cada una de las reacciones químicas catalizadas por RNA catalítico
depende de una conformación o agrupamiento específico de los atomos que forman
su superficie que hacen que uno o varios nucleótidos sean altamente reactivos.
Estas reacciones catalíticas pudieron tener una importancia
fundamental en la "sopa prebiótica". En efecto, supongamos que una
molécula de RNA es capaz de catalizar el proceso de polimeriación a partir de
una molécula cualquiera de RNA como molde. Esta molécula catalítica replicará
copias de sí misma, pero también de cualquier otro RNA que se encuentre en la
proximidad, las cuales a su vez pueden ayudar la replicación o supervivencia de
la primera. De esta manera, la especialización de diferentes RNA puede
constituir un sistema eficiente capaz de replicarse y de sobrevivir