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Idea Fundamental: Se ha mantenidouna cadena vital ininterrumpida desdelas primeras células que se desarrollaronen la Tierra hasta la totalidad de célulasde los organismos actualmente vivos.
Tema 13. Biología Celular13.4 Origen de las célulasDP/PAU
Germán Tenorio
Biología NS-Diploma BI
Curso 2014-2016
Origen de la vidaDP
Uno de los principios de la teoría celular indica que “Las células solopueden formarse por división de células preexistentes”.
Así, si consideramos que un humano está formado por 30 billones decélulas, todas estas células han ido apareciendo por sucesivas divisionesdurante el desarrollo embrionario a partir de una única célula inicial, elcigoto, formado a partir de la fusión de un óvulo y un espermatozoide.
A su vez, estosgametos procedende nuestrosprogenitores, cadauno procedente deun cigoto, formadopor la fecundaciónde los gametos desus padres.
Por tanto, podemos decir que existe una continuidad de la vida desdesu origen en la Tierra hasta las células que nos forman en la actualidad.
IMAGEN: periodoembrionario.blogspot.com
Origen de la vidaDP
Existen diferentes pruebas que evidencian que todos los seres vivos hemosevolucionado a partir de un mismo ancestro común.
Una prueba de ello, lo proporciona la universalidad del código
genético, dado que los 64 codones en el código genético tienen elmismo significado en prácticamente todos los organismos, a pesar de locual hay algunas variaciones menores que probablemente se hanacumulado desde los orígenes comunes de la vida en la Tierra.
IMAGEN: monografías.com
NATURALEZA CIENCIAS: Puesta a prueba de los
principios que subyacen al mundo naturalDP
Hasta el siglo XIX se creía que la vida se originaba de forma espontánea.Esta teoría de la generación espontánea, fue propuesta por Aristóteles,cuando observó la aparición de insectos a partir de heces de animales, hojascaídas de los árboles, etc.
Desde el siglo XVII varios científicos intentaronprobar esta teoría, dado que debe verificarseel principio de que las células soloproceden de células preexistentes.
Esta teoría se basaen la aparición dela vida a partir demateria no viva.
Hay que tener encuenta que en estaépoca todavía nose sabía de laexistencia de losmicroorganismos nide las naturalezade la reproducciónsexual.
NATURALEZA CIENCIAS: Puesta a prueba de los
principios que subyacen al mundo naturalDP
Así, Francesco Redi en 1668 demostró que los gusanos sólo aparecenen la carne en putrefacción si antes las moscas no han entrado encontacto con ella.
Por otro lado, Lazzaro Spallanzani en 1765 hirvió sopa en 8contenedores, dejando posteriormente 4 de ellos completamentesellados y los otro 4 abiertos al aire libre, comprobando que solo enestos últimos crecieron organismos.
Finalmente, Louise Pasterurrealizó un experimento decisivopara confirmar que la generaciónespontánea no era posible, niaún cuando estuviera encontacto con el aire.
Las células solo pueden aparecera partir de otras preexistentes,pero ¿cómo apareció la primera?
IMAGEN: biologuitoevolu.wordpress.com
APLICACIÓN: Experimentos de PasteurDP
Louis Pasteur demostró en 1861 de manera concluyente la imposibilidadde la generación espontánea de la vida, es decir, el origen de la vidasolamente es posible a partir de la materia viva, de un ser vivopreexistente.
En el experimento, Louis Pasteur añadió un caldo de cultivo a un matraz decuello largo. A continuación, calentó el cuello, imprimiendo a ese unformato de tubo curvado (cuello de cisne). Después del modelado,continuó con el caldo hirviendo, sometiéndolo a una temperatura hasta elestado estéril (ausencia del microorganismo), pero permitiendo que elcaldo tuviera contacto con el aire.
APLICACIÓN: Experimentos de PasteurDP
Después de hervir, dejando el recipiente de cristal en reposo por muchotiempo, percibió que el líquido permanecía estéril. Esto fue posible debido ados factores:
- El segundo, ocasionado por la adhesión de partículas de impurezas ymicroorganismos de las gotas de aguas formadas en la superficie internadel cuello durante la condensación del vapor emitido por la calefacción y larefrigeración cuando está en reposo.
- El primero fueconsecuencia delas trabas físicas,causadas por lasinuosidad de loscuellos de botella.
APLICACIÓN: Experimentos de PasteurDP
Después de unos días para verificar la no-contaminación, Pasteur rompióla parte superior del recipiente de cristal (cuello), exponiendo el líquidoinerte a los microorganismos suspendidos en el aire, favoreciendo lascondiciones para la propagación de gérmenes.
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El problema es que la Tierra era estérilcuando se originó hace 4 600 Ma.,pero de algún modo se originaronmoléculas orgánicas. Para que eseplaneta rocoso sin vida se convirtieraen lo que hoy conocemos, lasprimeras células deben habersurgido de materia no viva.
La pregunta es, ¿cómo una estructuracompleja como una célula ha podidosurgir a partir de materia sin vida? Almenos, los siguientes 4 pasos soncruciales para este logro.
Origen espontáneo de la vidaDP
- La vida tal como la conocemos está basada enmoléculas orgánicas como los aminoácidos o glúcidos.
- Si la Tierra primitiva solo tenía materia inorgánica(minerales, rocas, gases y agua), ¿de dónde vino laprimera molécula orgánica?
2) La combinación de estas moléculas para formarpolímeros.
- Los organismos vivos por definición son formasorganizadas, lo cual implica un gasto energético.
- Los monómeros necesitan unirse entre si paraformar polímeros como los polipéptidos o lospolisacáridos, con objeto de construir compuestosorgánicos más complejos como las proteínas o losglúcidos.
Cuatro son los procesos necesarios para el origen espontáneo de lavida en la Tierra:
1) La síntesis abiótica de moléculas orgánicas simples.
Origen espontáneo de la vidaDP
3) El origen de las moléculas autorreplicantesque hicieron posible la herencia.
- Para que algo se considere “vivo”, debereproducirse, por lo que moléculasautorreplicantes eran necesarias.
- El ADN es la molécula más usada para lareplicación de los organismos vivos.
- Pero el ADN es una molécula compleja querequiere enzimas en su formación, por lo quees muy improbable que el ADN se desarrollaramuy pronto.
- Además, se necesita el ARN para paraproducir polipéptidos a partir del ADN.
4) El empaquetado de dichas moléculas dentro de membranas con un medioquímico interno diferente del existente en el entorno exterior.
- El último gran problema a solventar es el hecho de que el agua, aunque necesariapara la vida, tiende a despolimerizar moléculas (hidrólisis).
- Muchos compuestos orgánicos se disuelven en agua, por lo que hace difícil que lasmoléculas lleguen a organizarse en polímeros.
Experimento de Miller-UreyDP
Para responder a la primera de estas cuestiones, la síntesis abiótica demoléculas orgánicas, en 1923 se presentó una hipótesis por el científicoruso A. Oparin y el inglés Haldane.
- Cuando la Tierra se formó hace unos 4 500 millonesde años, era una inmensa bola incandescente dondelos elementos más ligeros salieron hacia el exteriorformando una capa gaseosa, la protoatmósfera.
- En una atmósfera oxidante como la actual no pudosurgir la vida (el oxígeno capta al hidrógeno libreimposibilitando la formación de moléculas orgánicas),por lo que la atmósfera primitiva debía serreductora (rica en hidrógeno y donadores deelectrones como el metano y el amoniaco).
Experimento de Miller-UreyDP
- Estos gases estaban sometidos aintensas radiaciones ultravioletas (UV)provenientes del Sol y a fuertesdescargas eléctricas, formándosemoléculas cada vez más complejas quellegaban a los mares primitivos que seiban formando mediante la lluvia.
- Oparin llamó a estos mares cargadosde moléculas el CALDO o SOPAPRIMORDIAL.
- Algunas de esas moléculas se unieronconstituyendo unas asociaciones conforma de pequeñas esferas llamadasCOACERVADOS, que todavía no erancélulas.
Experimento de Miller-UreyDP
En 1953 Stanley Miller y Harold Ureyreprodujeron en su laboratorio de la Universidadde Chicago las condiciones que se pensaba teníala atmósfera prebiótica primitiva:
Después de una semana de cicloscontinuados, obtuvieron un “caldoprimordial” con compuestos orgánicoscomo aminoácidos o urea.
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- Gases de metano, amoniaco e H2.
- Radiación UV al carecer de capa deozono protectora y tormentaseléctricas.
- Alta temperatura.
- Agua líquida calentada para evaporarlay enfriada para condensarla, recreandoel ciclo del agua.
¿Dónde podrían haberse formado los compuestos orgánicos? DP
Fumarolas hidrotermales
- Se encuentran a grandes profundidades,donde las erupciones volcánicas soncontinuadas por la alta presión.
- El magma solidificado calienta el agua,que sube arrastrando gran cantidad deminerales (black smokes).
- Comunidades enteras viven en torno aestas fumarolas, sustentadas porarqueobacterias quimiosintéticasque utilizan el H2S para la obtención deenergía.
- Esto demuestra que en profundidadessin luz existe vida, y da credibilidad a laposibilidad del origen de las formas devida más primitivas en torno a estasfumarolas. Video1
Para responder a la segunda de las cuestiones, la síntesis de polímeros apartir de las primeras moléculas orgánicas, se han propuesto variashipótesis sobre su posible localización.
Volcanes
- Aunque las erupciones volcánicas puedan ser destructivas, también disipan vaporde agua, otros gases como el sulfuro de carbonilo (gas de efecto invernadero) yminerales que podrían ser usados para la formación de materia orgánica.
- Esta rica fuente de materia primajunto con el calor de la actividadvolcánica, podría haber provisto lascondiciones favorables para laformación de aminoácidos y azúcares.
- En 2004 Science describía cómo, en medios acuosos, la presencia de sulfuro decarbonilo y hierro procedentes de erupciones volcánicas de los fondos marinos,puede dar lugar a la unión de aminoácidos y la subsiguiente formación de péptidos.
¿Dónde podrían haberse formado los compuestos orgánicos? DP
Papel del ARN en el origen de la vidaDP
Con objeto de trasmitir los rasgos hereditarios a la siguiente generación, lamayoría de los organismos almacenan su material genética en forma de ADN.
El ADN necesita enzimas para sureplicación (duplicarse). Sin embargo,en el mundo prebiótico no habíaenzimas, por lo que es difícil que elADN fuera el medio en el que laherencia tenía lugar.
Papel del ARN en el origen de la vidaDP
El ARN puede almacenar información en una desecuencia de 4 nucleótidos, de forma similar acomo lo hace el ADN.
Por otro lado, el ARN tiene dos propiedades quele habrían permitido desempeñar un papelimportante en el origen de la vida:
- Capacidad de autorreplicación: Bajo ciertascondiciones el ARN puede autorreplicarse sinnecesidad de enzimas. Esta propiedad lo haceun candidato ideal como primer ácido nucleicoen el comienzo de la vida.
- Actividad catalítica: El ARN es unaribozima, es decir, al igual que otras enzimastiene capacidad catalítica, ayudando a queciertas reacciones químicas tengan lugar. Dehecho, pequeñas secuencias de ARN soncapaces de copiar fielmente otros ARN.
Por estas razones, el ARN podría dominar laTierra primitiva, saliendo a flote en el caldoprimordial, haciendo copias de si mismo.
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Las protocélulas o protobiontesDP
Antes de surgir la primera célulaverdadera, deben haber existidoprotocélulas o protobiontes,caracterizadas por poseer unamembrana externa que les permitieraposeer un ambiente químico internodiferente del exterior que los rodeaba.
Ejemplos de protobioentes son lasmicroesferas y coacervados.
Distintos experimentos han demostradoque cuando se exponen al calor seco,los aminoácidos polimerizanabióticamente para formar una cadenapolipeptídica denominada proteinoides,que en las condiciones acuosasadecuadas forman unas microesferascomo pequeñas burbujas, que permitenmantener un ambiente químico internodiferente al exterior que lo rodea y queposeen propiedades celulares.
Bajo condiciones adecuadas, lasmezclas de macromoléculas enagua tienden a producir unidadescomplejas denominadascoacervados, con capacidad paraabsorber sustancias del exterior, ycon una bicapa lipídica(liposoma) en el exterior formandouna especie de membrana.
Las protocélulas o protobiontesDP
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Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbióticaDP/PAU
Según las hipótesis más aceptadas, la vida se originó en la Tierra hacemás de 3 800 millones de años en forma de células muy sencillas deorganización procariota, los protobiontes.
Eran estructuras membranosas con un ácido nucleico (probablementeARN) capaz de autorreplicarse y de utilizar su información para la síntesisde proteínas. Su posterior evolución condujo a la diversidad que hoyconocemos.
Las células eucariotas son el resultado de la evolución de organismosprocariotas primitivos semejantes a algunas de las bacterias actuales.Las células eucariotas son mucho más complejas y tienen un tamañomayor que las procariotas.
Este aumento de volumen(hasta un millón de vecesmás) implica la necesidad deun aumento de superficie.
¿Cómo resolver esteproblema? Puede hacersemediante el plegamiento dela membrana externa omediante la incorporación ala misma de algún tipo deespecialización.
Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbióticaDP/PAU
Las bacterias (procariotas) fueron los únicos organismos sobre la Tierradesde ese momento hasta hace unos 2 000 Ma., momento del que se tieneel primer fósil de una célula con núcleo (eucariotas).
Una teoría ampliamente aceptada es la teoría endosimbiótica de LynnMargulis en 1967, que postula que postula que los eucariotas hanevolucionado a partir de los procariotas.
Por tanto, el origen de las células eucarioticas puede explicarse pormedio de la teoría endosimbiótica.
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Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbióticaDP/PAU
Según esta teoría, los orgánulos membranosos que contienen ADN, comolas mitocondrias y los cloroplastos, presentan muchas característicassemejantes a las de las células procariotas, por lo que podrían derivar deellas.
El núcleo y el sistema endomembranoso pudieron haber surgido apartir de invajinaciones de la membrana plasmática.
Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbióticaDP/PAU
El origen de las mitocondrias tuvo lugar apartir de la incorporación de bacteriaspúrpuras, adquiriendo la capacidad deconsumir oxígeno en un proceso deoxidación completo, la respiración aeróbica.
Los cloroplastos procederían de lascianobacterias, adquiriendo un tipo denutrición fotoautótrofa.
Los flagelos y microtúbulos pudieronhaber sido adquiridos a partir deespiroquetas simbióticas.
Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbióticaDP/PAU
Membranaplasmática
Citoplasma
ADNProcariota ancestral
Retículo endoplásmicoEnvoltura nuclear
Invajinación de lamembrana plasmática
Fagocitosis de procariotas aeróbicos
heterotróficos
Núcleo
Célula con núcleo y sistema endomembranoso
Fagocitosis de procariotas fotosintéticos
por algunas células
Cloroplasto
Mitocondria
Eucariota heterótrofo ancestral
Eucariota fotosintético ancestral
Mitocondria
Esta teoría mantiene que los orgánulosque se encuentran en el interior de lascélulas eucariotas, una vez fueronprocariotas independientes, pero que unacélula heterótrofa de mayor tamaño losendocitó.
Algunas células digirieron estas bacterias,alimentándose de ellas, pero aquellascélulas que no tenían enzimas capaces dedigerir a estas procariotas fotosintéticos,adquirieron una ventaja por selecciónnatural, ya que adquirieron sumetabolismo fotosintético o aerobio.
Dichos procariotas permanecieron en suinterior, encontrando protección a cambiode sus servicios: endosimbiosis.
Esto podría explicar como los orgánulosmembranosos como la mitocondria o loscloroplastos llegaron a formar parte delas células eucariotas evolucionando apartir de procariotas independientes.
Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbióticaDP/PAU
Esta teoría se apoya en que las características que comparten mitocondrias ycloroplastos, y que las hacen más parecidos a un procariota independiente,que a cualquier otro orgánulo celular:
Al igual que otras teorías, también tiene sus objeciones:
- Tienen doble membrana.
- Tienen ADN desnudo circular propio.
- Pueden sintetizar proteínas usandopequeños ribosomas.
- Sus ribosomas son de igual tamañoque los procariotas (70S).
- Se dividen por fisión binaria.
- Mismo tamaño que procariotas.
Animación1
- No se puede demostrar, ya que predice algo que ocurrió en el pasado.
- No explica el origen de los cromosomas lineales o la meiosis.
- Existen débiles evidencias de que los cilios y los flagelos evolucionaron a partirde la unión de bacterias espiroquetas.
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Origen de la célula eucariota: Teoría endosimbióticaDP/PAU
Estudio del origen de la vida y TdCDP
La biología es el estudio de la vida, a pesar de ser esta una propiedademergente.
¿En que circunstancias resulta productivo un enfoque sistémicode la biología y en que circunstancias resulta mas apropiado unenfoque reduccionista?
¿Cómo eligen los científicos entre enfoques contrapuestos?
IMAGEN: http://es.slideshare.net/jsimon73
