origen de la vida UdeChile

ORIGEN DE LA VIDA
Norbel Galanti
Programa de Biología Celular y Molecular,
Instituto de Ciencias Biomédicas, Facultad de
Medicina, Universidad de Chile
Junio 6, 2012
EL ORIGEN DEL PROBLEMA
• Desde que un homínido percibió su existencia
en el planeta y en el universo, en el contexto
del presente, vislumbrando un futuro, surgió con
él la pregunta: ¿Cuál es nuestro origen?
• Las primeras respuestas se encuentran, como
no, entre los griegos. De ellos surgió la teoría
teoría atómica de la materia, la teoría de las
formas y, entre otras, la teoría de la abiogénesis
o del origen de sistemas vivos a partir de
materia no viva.
OBSERVACIONES QUE NO REQUERÍAN
INFORMACIÓN PREVIA
• Fango + Restos vegetales + Calor Gusanos,
moscas, escarabajos, etc.
• Hoja de ciertos árboles en arroyos
Patos
• Pelo de caballo + Agua + Tiempo
Gusano
• Suciedad + Calor Pulgas
Conclusión: Dadas ciertas condiciones, se
originan seres vivos sin necesidad de
progenitores. GENERACIÓN ESPONTÁNEA.
La “fuerza vegetativa” de la naturaleza es
capaz de crear vida de lo inanimado.
¿”Fuerza vegetativa”?
Observación directa y
discontinua de un suceso
van Helmont, 1624
De cómo hacer ratones
(van Helmont 1600´s)
• Protocolo:
Tómese ropa interior sucia, empapada de
transpiración y colóquese en el fondo de un
frasco de vidrio de tapa ancha. Agréguese un
puñado de granos de trigo. Déjese el frasco
destapado en una habitación obscura, en lo
posible abandonada o con poca circulación de
personas y otros animales. A los 21 días, el olor
cambia y el fermento, proveniente de la ropa
interior, penetra a través de la cáscara de los
granos de trigo, cambiando el trigo en…
¡ratones!. Van Helmont, 1624
Jan Baptista van Helmont
(1577 – 1644)
• Químico, fisiólogo y médico belga, identificó el
O2C y describió los gases, así como la
importancia del agua en los sistemas vivos.
Consideraba que la digestión, la nutrición e
incluso el movimiento eran debidos a
“fermentos”, que convertían los alimentos en el
cuerpo del sistema vivo (es decir, el
metabolismo).
• ¡Este gran científico describió un protocolo para
hacer ratones! Y ¡Cuidado! El tiempo de
gestación de los ratones es de….¡21 días!
Observación directa y
discontinua de un suceso
Conclusión errónea
CIENCIA. PROCESO Y MÉTODO
• Galileo Galilei: Academia del Cimento.
Florencia, Italia, siglo XVII
• La creación científica se basa en el
proceso creativo (conocimiento, intuición e
imaginación). Surgen hipótesis.
• Para comprobar las hipótesis generadas
en el proceso creativo se requiere del
método científico
Se pensaba que, de la carne en putrefacción, se originaban moscas. Tomó tres
frascos en los que puso trozos de carne. Uno lo dejó destapado, otro lo cubrió
con un pergamino y el tercero, con una gasa. Observó que, en el frasco
destapado las moscas dejaban huevos sobre la carne. De esos huevos, nacían
gusanos y de ellos, moscas. La carne de los frascos tapados entraba en
putrefacción pero no originaba moscas.
CONSAGRACIÓN DEL EXPERIMENTO
COMO EVIDENCIA CIENTÍFICA
• Francesco Redi (1668)
1.- Carne en un frasco destapado +Calor solar +
Moscas
Huevos
Gusanos
Moscas
2.- Carne en un frasco tapado + Calor solar. No
entran Moscas
No hay huevos
No hay
gusanos
No hay moscas
Resultado: Las moscas generan huevos, que se
desarrollan en gusanos y estos en moscas.
Conclusión: Las moscas provienen de otras
moscas
La resistencia del hombre a
dejar sus creencias!!!
SE INVENTA EL MICROSCOPIO
• Se observa todo tipo de sistemas vivos muy
pequeños (bacterias, protozoos, algas
unicelulares y otros) en agua de charcos, lagos,
leche, caldos, secreciones de animales, etc.
• Conclusión: Sistemas vivos complejos se formas
de otros iguales. Pero sistemas vivos muy
pequeños se forman a partir de la materia no
viva en la que se encuentran
• Y SE REGRESA A LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA!!
¡¡Es imposible derribar creencias!!
Vicente Huidobro
EXPERIMENTO DE PASTEUR QUE
DESCARTÓ LA GENERACIÓN ESPONTÁNEA
Partículas de polvo contaminadas
con bacterias
Tubo “cuello de
cisne”
Caldo de carne
estéril
Caldo de carne
contaminado
PASTEUR RESOLVIÓ UN PROBLEMA PERO
SURGIÓ OTRO DE SOLUCIÓN AÚN MÁS DIFICIL
• El experimento de Pasteur llegó en un
momento en el que los científicos estaban
preparados para aceptar el resultados:
TODOS LOS SISTEMAS VIVOS
PROVIENEN DE OTROS SISTEMAS
VIVOS IGUALES O SIMILARES
(BIOGÉNESIS)
• Pero…. ¿Cómo se originaron los
sistemas vivos en el planeta Tierra?
CARACTERÍSTICAS DE UN
SISTEMA VIVO
•
•
•
•
•
Unidad física que:
Utiliza una fuente de energía, radiante o química, para
dirigir reacciones dentro del sistema
Aumenta su masa por síntesis controlada de moléculas
que lo componen
Presenta un sistema de información que controla las
propiedades anteriores
Se puede reproducir en sistemas de materia de la
misma clase y organización
Tiene la capacidad de presentar cambios que pueden
resultar ventajosos
¿QUÉ SABEMOS CON RELATIVA
PRECISIÓN? (1)
• La edad de la Tierra (4600 millones de años)
• La edad de las primeras bacterias fósiles (3800
millones de años)
• La composición química de la atmósfera de
planetas cercanos, de cometas y de algunas
nebulosas muy lejanas
• La presencia de átomos y moléculas propias de
sistemas vivos en cometas y en meteoritos
¿QUÉ SABEMOS CON
RELATIVA PRECISIÓN? (2)
• Los sistemas vivos son cuerpos físicos,
formados por los mismos elementos que existen
en el Universo conocido
• C, H, O, N son elementos fundamentales en los
sistemas vivos.
• Los sistemas vivos actuales están gobernados
por las mismas leyes de la física y de la química
que actúan en el resto del Universo. Son
“máquinas que se estructuran, organizan y
funcionan en base a actividad química”
¿QUÉ SABEMOS CON
RELATIVA PRECISIÓN? (3)
• Tenemos un conocimiento razonable
acerca de cómo funcionan los sistemas
vivos actuales (aunque seguramente nos
falta aún mucho por conocer!!)
• Contamos con proposiciones acerca de
que es un sistema vivo, que nos permiten
identificarlo y separarlo de aquellos no
vivos
EN RESUMEN: SISTEMAS VIVOS
• Cuerpos físicos (ocupan un lugar en el
espacio).
• Forman parte de la materia del Universo
• Están compuestos por los mismos
elementos y regidos por las mismas leyes
de la física y de la química que el resto del
Universo.
QUE DESCONOCEMOS (1)
• ¿Cual fue la composición exacta de la atmósfera
a lo largo de los primeros 500-700 millones de
años de la historia de la Tierra, cual fue su
temperatura en ese período y que fuentes de
energía estaban disponibles?
• ¿Como se formaron las moléculas básicas de
los sistemas vivos (aminoácidos, nucleótidos,
azúcares, lípidos), como éstos se polimerizaron,
adquirieron forma y se ensamblaron en
estructuras de sostén o catalíticas?
QUE DESCONOCEMOS (2)
• ¿Que surgió primero: el gen, el
metabolismo o ambos en diálogo?
• ¿Primero los RNAs o las proteínas? ¿O
surgieron simultáneamente?
• ¿Qué rol (si alguno) jugaron las arcillas,
las hidroxiapatitas, las piritas, los
polifosfatos?
• ¿Fue necesaria una membrana para
individualizar un probionte?
QUE DESCONOCEMOS (3)
• ¿Cuando surgió la(s) primera(s)
protocélula(s)? ¿Fue un evento único?
• ¿Cuándo y como se fijó la unidad de los
sistemas vivos?
• ¿Cuándo y como se originó la diversidad
de los sistemas vivos?
ACERCA DE SUCESOS ÚNICOS O
SINGULARES
SOBRE LA SINGULARIDAD DE UN SUCESO
COMO EL ORIGEN DE LOS SISTEMAS VIVOS
• Sucesos singulares de muy baja
probabilidad ocurren todo el tiempo sin
que nadie lo note, excepto que el suceso
tenga algo muy especial
• Por otra parte, un suceso que en las
condiciones actuales parezca o sea de
muy baja probabilidad, puede haber sido
altamente probable en las condiciones de
la Tierra primitiva (y obviamente lo fue!)
PERO, EL ORIGEN DE LA VIDA:
¿FUE UN SUCESO SINGULAR?
• Más bien fue un conjunto de sucesos que
ocurrieron en el tiempo y en ambientes
cambiantes.
• Muy probablemente, la emergencia de
sistemas vivos no siguió un curso
predeterminado y rígido. Cada etapa
ocurrió sin perspectiva de otra próxima
etapa; solo ocurrió.
ORIGEN DE LA TIERRA vs ORIGEN DE LOS
SISTEMAS VIVOS
• La formación de sistemas vivos tal como los
conocemos hoy fue relativamente rápida (4.600
millones de años, origen de la Tierra; 3.800
millones de años las primeras bacterias fósiles)
• Este hecho tiene base científica. Con la clase de
compuestos químicos frágiles y su ensamblaje
en un sistema vivo, solo procesos rápidos
logran sobrevivir la fuerza de la desorganización
espontánea.
CON LA INFORMACIÓN ANTERIOR:
¿COMO SE HABRÍA ORIGINADO LA
VIDA SOBRE LA TIERRA?
A.
B.
C.
D.
Algún poder sobrehumano la creó
Seres extraterrestres la trajeron
Llegó con meteoros de otros planetas
Se originó de elementos químicos y
compuestos sencillos presentes en la
Tierra primitiva.
E. Otra posibilidad no contemplada
PANSPERMIA. LA VIDA VIENE DEL
ESPACIO
Fundamentos:
• componentes de sistemas vivos
en el universo conocido
• aminoácidos en meteoritos,
cometas, polvo interplanetario
• condiciones adecuadas para la
síntesis de moléculas
• síntesis experimental en
condiciones interestelares
PANSPERMIA. LA VIDA VIENE
DEL ESPACIO
Dificultades:
• el proceso de escape
• las condiciones de viaje en el espacio
• el proceso de entrada
HIPÓTESIS PLAUSIBLE: ETAPAS EN EL
ORIGEN DE LOS SISTEMAS VIVOS
• Formación de la Tierra
• Formación espontánea de moléculas
orgánicas.
• Polimerización en macromoléculas.
• Ensamblaje de macromoléculas.
• Separación del medio externo.
• Desarrollo de vía metabólicas
• Origen de un sistema estable de información
HIPÓTESIS: LA VIDA SE ORIGINÓ DE ÁTOMOS Y
MOLÉCULAS PRESENTES EN LA ATMÓSFERA Y EN
LA SUPERFICIE DEL PLANETA
• En nubes cósmicas o en el espacio
exterior se encuentra H, He, HO-, NH3,
OH2, formaldehido, OC, CN-, HCN,
cianoacetileno, alcohol metílico, ácido
fórmico, formamida, sulfuro de C,
acetonitrilo, acetaldehido, H2S, etc, etc.
• Estas y otras especies químicas se
encontraban en la Tierra
FORMACIÓN DE LA TIERRA.
ATMÓSFERA PRIMITIVA
• Contenía primariamente sustancias
reducidas (CH4, NH3, OH2, H2, etc).
• Poco o nada de O2 libre
• Diferentes tipos de fuentes de energía
(radiación luminosa, eléctrica, radiación
atómica, calor, actividad volcánica, etc)
• Evidencias que apoyan esta proposición:
Atmósfera de planetas, Composición
elemental del Universo, etc.
FORMACIÓN ESPONTÁNEA DE
MOLÉCULAS ORGÁNICAS
Stanley Miller, 1953
Obtuvo aminoácidos,
nucleótidos, ácidos y
otros compuestos
orgánicos. No obtuvo
polímeros.
LA “SOPA” ANCESTRAL
• Oparin-Haldane: En la atmósfera
primigenia se formaron numerosos
compuestos químicos que fueron
arrastrados por la lluvia hacia la superficie
de la Tierra.
• Allí se concentraron y reaccionaron entre
sí, formando macromoléculas y agregados
de macromoléculas.
POLIMERIZACIÓN DE MOLÉCULAS
EN MACROMOLÉCULAS
FORMACIÓN DE POLÍMEROS (POLIPÉPTIDOS, POLINUCLEÓTIDOS Y OTROS)
LA INTERFASE PREBIÓTICABIÓTICA EN EL PLANETA TIERRA
• Un período de provisión, durante el cual se
acumularon cantidades de sustratos orgánicos
• Formación de macromoléculas.
• Interacciones entre estas macromoléculas
originaron “progenotes”, primordios de sistemas
vivos, en los que ocurrían algunas reacciones
metabólicas
• Mundo prebiótico a Mundo con progenotes
• Un período en el cual se formó el primer (o
primeros) sistema(s) replicante(s)
¿CÓMO SE FORMARON LOS PRIMEROS
SISTEMAS DE INFORMACIÓN?
• Hoy, el sistema de información genética
es
DNA RNA Proteínas
• Pero pudo iniciarse como
RNA Proteínas
• Incluso, proteínas pueden haber sido
fuente de información inicial
• Pero hay otra posibilidad…..
CRISTALES: ¿LOS PRIMEROS GENES?
¿POR QUÉ DNA Y RNA?
P - O CH
base
P - O CH
O
base
O
DNA es estable en
agua
2
2
OH-
OH-
O
O
OH
P - O CH
base
H
P - O CH
O
2
base
O
2
O
O:
O
P - O CH
base
P - O CH
O
2
base
O
2
O
HO
O
P - O CH
RNA es inestable
en agua
H
base
O
2
H
P - O CH
base
O
2
HO
OH
HO
H
¿POR QUÉ DNA Y RNA?
• DNA es una perfecta molécula de
almacenaje de información (muy estable)
• RNA es un perfecto mensajero de
información (se usa y se destruye)
• El cambio de RNA a DNA como molécula
central de información se ha mantenido en
todos los tipos celulares
SEPARACIÓN DEL MEDIO
EXTERNO. MEMBRANAS
AUTOENSAMBLAJE DE FOSFOLÍPIDOS
Bicapa de fosfolípidos
Fosfolípido
AUTOENSAMBLAJE DE FOSFOLÍPIDOS
En el autoensamblaje de fosfolípidos no solo se forman esferas sino también
túbulos flexuosos y capas de túbulos
MICROESFERAS Y COACERVADOS
CRECEN Y SE DIVIDEN
¿QUÉ SE PROPONE DEL EUGENOTE?
– Primeras evidencias aproximadamente 3.5 - 3.8
mil millones de años
– Constituido por elementos químicos que se
encuentran en todo el Universo conocido
– Sistema de información probablemente basado
primero en cristales, luego en RNA, pero “rápida”
evolución a DNA
– Sistema de captura de energía
– Dentro de una membrana
LOS EUGENOTES Y SU VIDA MEDIA
• Los organismos primigenios utilizaron la
sustancia orgánica abundante en la superficie
del planeta. Hasta que ésta escaseó. En esa
situación, probablemente se generaron sistemas
fotosintéticos, que construyeron materia
orgánica a partir del OH2 y del CO2, utilizando
como fuente de energía la luz radiante del sol.
Consecuencia: Aumento del O2 en la atmósfera
y desaparición de la generación espontánea de
la vida a partir de compuestos orgánicos.
EVIDENCIA GEOLÓGICA DE
SISTEMAS VIVOS EN LA TIERRA
•
Estromatolitos: estructuras organosedimentarias laminadas adheridas
al sustrato, producto de la actividad
metabólica de microorganismos,
principalmente cianobacterias o
algas cianofíceas
PROCARIONTES ANCESTRALES
CIANOBACTERIAS FÓSILES
FÓSILES DE ORGANISMOS TIPO
BACTERIAS ACTUALES
Antigüedad: Aproximadamente 3500 millones de años
¿EVOLUCIÓN CELULAR?
– “Celulas” primitivas fueron probablemente
“bolsitas” en las que ocurrían reacciones
metabólicas, llamadas progenotes (antes del
genoma).
– Posteriormente en las células se desarrolló uno o
más sistemas de información (genomas), y se
denominaron eugenotes (genoma verdadero).
– Este último sería el ancestro común de los
actuales sistemas vivos.
ORIGEN DE LOS SISTEMAS VIVOS
EN LA TIERRA
– Si consideramos que la Tierra se forma a
medianoche (0 horas).
• Procariontes existen desde las 3:30 AM
• Eucariontes existen desde las 8:45 PM
0
24
12
ORIGEN DEL HOMBRE EN LA TIERRA
0
24
12
23:59:56 PM
• Toda la existencia del hombre en la Tierra
(mucho más que la historia conocida)
Es igual aproximadamente a los últimos 3.8
segundos de un día de 24 horas!!
¿ESTAMOS SOLOS EN EL UNIVERSO?
POLIMERIZACIÓN DE MOLÉCULAS
A MACROMOLÉCULAS
• Reacciones de condensación.
R1-OH + HO-R2 = R1-R2 + OH2
Problema: Eliminación de agua en medio
acuoso.
• Soluciones: 1) Evaporación del agua por
calor y reacción de monómeros; 2) Acción
de agentes condensantes: Cianógeno,
cianoacetileno, cianato; 3) Adsorción de
compuestos orgánicos en arcillas.
¿POR QUÉ DNA Y RNA?
P - O CH
P - O CH
base
O
base
O
ssDNA
2
2
O
O
H
OH
P - O CH
P - O CH
base
O
base
O
2
2
O
O
H
P - O CH
OH
P - O CH
base
base
O
2
O
2
O
RNA
O
H
OH
P - O CH
base
O
P - O CH
base
O
2
2
HO
OH
HO
H
¿CÓMO SE FORMARON SISTEMAS DE
CAPTURA DE ENERGÍA?
Pirroles
Formaldehido
Porfirinas. Grupo químico
central en citocromos,
hemoglobina, etc
PRIMITIVAS CADENAS DE
TRANSPORTADORES DE ELECTRONES
REACCIONES DE POLIMERIZACIÓN
EN COACERVADOS
Glucosa-1-fosfato
se sintetiza en
ambientes abióticos
Enzima
primitiva
Glucosa-1-fosfato
ingresa al coacervado
El fosfato es eliminado