6.-Evolución Química: Monomeros

6.-Evolución Química: Monomeros
Esta es un área de la historia evolutiva con grandes vacíos y escasas
evidencias, pero con significativas construcciones teóricas que sirven de
guías a diversos experimentos. Leamos reflexivamente la siguiente
panorámica:
Formación no biológica de monómeros:
La mayoría de las moléculas sencillas, o monómeros: bases púricas o
pirimídicas, ribosa o desoxiribosa y aminoácidos, relacionadas con
procesos vitales y necesarios para la construcción de los sistemas
genéticos de organismos vivos ancestrales, son posibles de ser sintetizadas
en condiciones simuladas de la Tierra primitiva (Orgel, 1979:10-95).
La formación de monómeros es posible en atmósferas artificiales que
consista de gases como hidrógeno (H); y de sus formas totalmente
reducidas: amoníaco (NH3), metano (CH4), y agua (H2O). El primer paso
observable en estas condiciones es la constante reducción en la
concentración de NH3 para dar lugar a estructuras monoméricas simples
como el ácido cianhídrico (HCN), cianógeno (C2N2), compuestos con el grupo
CHO y bases púricas y pirimídicas. Todos estos gases circulando por 7 días,
en un sistema que emite chispas eléctricas (sustituido incluso por rayos
ultravioleta), produce también con mucha facilidad muchos aminoácidos
típicos: glicina, alanina, isovalina, prolina, sarcosina, beta - alanina, ácidos
alfa y beta aminobutírico, norvalina, isovalina, prolina, ácido aspártico,
norleucina, ácido pipecólico y otros (Miller, 1953:528-529). La formación de
monómeros se logra también en atmósferas prebióticas más simples,como
las conformadas por CO2, nitrógeno, agua y trazas de hidrógeno (Mattioli and
Wood, 1986:626). Los nucleótidos son formados con facilidad en atmósferas
reductoras (ricas en hidrógeno). En atmósferas oxidantes esta posibilidad es
mínima, porque el oxígeno captura átomos de hidrógeno de otros
compuestos, impidiendo reacciones que permiten transformar moléculas
orgánicas sencillas, en otras más complejas (Oparin, 1979:122-173).
Algunas de estas unidades monoméricas son susceptibles de ensamblarse,
para constituir 2 grandes clases de polímeros: ácidos nucleicos y proteínas
(Orgel, 1994:76-80).
Monómeros importantes para la formación de los ácidos nucleicos son dos
tipos de azúcares: ribosa (para el RNA) y desoxiribosa (para el DNA). Cuesta
sintetizar ribosa en cantidad y pureza adecuada en ausencia de enzimas,
porque las reacciones conducentes a ello, crean una mezcla de azúcares, en
las que la ribosa es siempre un componente minoritario. Asimismo los
demás azúcares, combinados con bases nucleicas circundantes, tienden a
formar productos que inhiben la síntesis y la replicación del RNA
(Orgel,1994:76-77).
Hoy en día se acepta que estos azucares podrían haberse formado, en
condiciones prebióticas a través de una reacción de varios pasos, que
implica la condensación de 5 moleculas de formaldehído para originar una
molécula de ribosa (reacción de la formosa). Aunque a decir verdad esta
reacción, proporciona muchos azúcares, sin ninguna selectividad
(Dickerson, 1979: 37-46). De otro lado Larralde y Miller, han demostrado que
la ribosa y otros azúcares en condiciones ancestrales, son inestables en
presencia de ácidos o álcalis fuertes, por lo que han sugerido examinar
estructuras de soporte prebióticas, no basadas en azúcares (como los
péptidos de ácidos nucleicos), que podrían haberlas precedido. Admiten sin
embargo que la elección de la ribosa podría haberse dado en condiciones
especiales, basada en procesos de selección molecular (Larralde et al.,
1995:81-58). Erschenmoser ha tratado de obviar esta limitación produciendo
casi exclusivamente ribosa, a partir de la polimerización de moléculas de
formaldehído, con pasos intermedios, que requirieron previamente la
transposición de grupos fosfato, para que el producto principal fuese un
intermediario fosforilado de la ribosa (Horgan, 1991:119).
Otro básico, quizás, el más importante componente del código genético es la
adenina. Aunque Juan de Orá obtuvo adenina y otros aminoácidos a partir
de soluciones acuosas de HCN y NH3, sin ayuda de aldehídos (Oró and
Kimball, 1961:217-227), es también probable que la formación inicial de la
adenina tuviese que ver con la combinación de 4 moléculas de HCN,
formando inicialmente un tetrámero de HCN, el diaminomaloniltrilo: (HCN)4
(importante intermediario en muchas reacciones que conducen a la síntesis
de bases). El tetrámero en presencia de luz, habría sufrido un proceso de
autoreordenación que lo habría capacitado para captar otra molécula de
HCN, constituyendo finalmente un pentámero de HCN: la adenina. Esta
síntesis pudo efectuarse en condiciones similares a los de la Tierra primitiva,
porque esta base purínica es fácil de sintetizar. Existió selección molecular
aquí, porque de 3 isómeros posibles sólo la adenina fue incorporada a los
seres vivos (Dickerson, 1979:36-42). Por reacciones de hidrólisis que
comprometen al diaminomalonilnitrilo, y en las que interviene el cianógeno
(C2N2), se pudo formar la otra purina. La guanina. Las restantes bases de
ácidos nucleicos: timina (T); uridina (U) y citosina (C), pueden obtenerse a
partir de reacciones entre cianuro de hidrógeno y otros dos componentes :
cianógeno (C2N2) y cianacetileno (C3HN), capaces de ser formados en
atmósferas prebióticas reductoras (Orgel, 1994: 78-60).
La adenina y la guanina han sido halladas en el polvo interestelar, en áreas
cercanas a las estrellas en formación y en meteoritos carbonáceos (como el
meteorito de Murchinson), de conjunto con otros constituyentes elementales
como formaldehído, agua, HCN, cianacetileno (C3HN), NH3 y otros (Cronin
and Pizarello, 1997: 951-955, Zahnle and Greenspoon, 1990:157-160). Se ha
hallado glicina en nubes, en vías de formar estrellas nuevas, cerca del centro
de nuestra galaxia. De otro lado se han identificado también, hidrocarburos
complejos en el interior del polvo interestelar microscópico (Clemett et al.,
1993: 721-724).
La unión universal en el RNA y DNA, de la ribosa o de la desoxiribosa, con la
adenina para formar un nucleósido de adenina, siempre se realiza a nivel de
la configuración beta -1’ (configuración levógira). Esto implica un poderoso
proceso de selección porque la ribosa tiene 4 carbonos (1’, 2’, 3’ y 5’) con
grupos hidroxilo (OH), cualquiera de los cuales puede servir para el anclaje
de la denina. Además tres de estos grupos, se hallan unidos a "carbonos
asimétricos": 1’, 2’ y 3’ (carbonos posibles de promover configuraciones
diferentes, o de estereoisómería ) (Dickerson,1979:40).
En las moléculas orgánicas se pueden formar estereoisómeros (moléculas
con 2 configuraciones especulares D: dextrógiro y L: levógiro), cuando
tienen 4 átomos diferentes o grupos diferentes unidos a estos átomos, como
sucede frecuentemente con los átomos de carbono (C). En condiciones
experimentales siempre se producen cantidades iguales de ambas formas
ópticamente activas. Curiosamente, todos los organismos vivos tienen
mayoritariamente configuraciones levógiras en sus estructuras (con la
discreta excepción de las paredes bacterianas y los mecanismos de defensa
bioquímica). Es decir que existe un favorecimiento o selección natural para
uno sólo, de los isómeros ópticos. Al respecto Hegstrom y Kondepudi
opinan que la homoquiralidad de las moléculas, con toda seguridad surgió
antes de la emergencia de la vida misma, y fue una condición para la
emergencia de la misma (Hegstrom and Kondepudi, 1990:58-69). Dickerson
añade que la selección de la unión beta -1’ entre monómeros, estuvo basada
en la mayor eficacia funcional de las enzimas, cuando se unen a la superficie
de un solo isómero (Dickerson, 1979:43-45).
Según Orgel, la obtención experimental de nucleótidos, ofrece al mismo
tiempo muchas conformaciones incorrectas, lo que abona a favor de la
existencia de procesos de selección de naturaleza molecular (Orgel,1994:78).
La fuerza de estos procesos selectivos se hace evidente también, cuando
uno cae en la cuenta de que sólo las purinas, y no las pirimidinas, pueden
unirse a la ribosa (Dickerson, 1979:37-42).
Aunque en pequeñas cantidades, el fósforo inorgánico se hallaba presente
en la Tierra primitiva y fue sin duda utilizado como fuente energética. Existe
también la posibilidad de que moléculas de ácido alkilfosfónico soluble en
agua, encontrado recientemente en meteoritos y cometas, hubiese aportado
el suministro orgánico faltante (De Graaf et al., 1995:474-477). Orgel y
colaboradores han producido nucleósido (ribosa unida a bases púricas),
pero sin el grupo fosfato (Orgel 1994:51).
Cuando la adenina (A) se une a una molécula de ribosa, se forma un
nucleósido, y si a éste, de modo sencillo se le agrega una cola de trifosfato
se convierte en trifosfato de adenosina (ATP). El que los organismos vivos
hayan escogido para intercambiar o almacenar energía al ATP, en lugar de
GTP, CTP; o UTP, y emplear adenosina en lugar de guanosina constituye sin
duda un proceso de selección (inducidos por estar presentes en mayor
concentración y ser más fáciles de sintetizar). La unión prebiótica de
fosfatos, ribosa y bases púricas y pirimídicas conformando nucleótidos fue
la base para la construcción de los ácidos nucleicos. Ahora faltaba unirlos.
El paso acoplador de monómeros (polimerización), necesita de 3 instancias
1)eliminación de moléculas de agua 2) medio de soporte para la
polimerización: superficies de arcilla, por ejemplo, y 3) agentes acopladores,
dadores de energía (Dickerson,1979:40).