La Evolución

De las moléculas a las Células

El Sistema Solar

• Hace unos 4500 millones de años se originó todo, cuando a partir de una gran nube de polvo y gas se formó el sistema solar, estimulado por algún fenómeno cósmico que propició la agrupación de la materia y que llevó al nacimiento del Sol y posteriormente de los planetas terrestres y planetas gaseosos: EL Sistema solar había nacido con el Sol como estrella central

• Pueden revisar los siguientes URL para más información sobre origen del sistema solar: – http://www.educared.cl/educared/hojas/articulos/detallearticulo.jsp?pagina=

1&idapr=27_472_esp_4__&articulo=10701

– http://es.wikipedia.org/wiki/Formaci%C3%B3n_y_evoluci%C3%B3n_del_Sistema_Solar

La Evolución

Formación de la Tierra

Primerascélulas

VertebradosFotosíntesis

Respiraciónaeróbica

Serespluricelulares

Cianobacterias

Formación de los océanos

Eucariotas

02.5 13.5 1.523 0.544.5

Tiempo (109 años)

Puntos Claves de la Evolución• Origen de la célula procariota 3500- 3600 M

(M=Millones de años)• Origen de la célula eucariota 1500-1400 M• Origen de la fauna de animales pluricelulares 650

M• Fauna de la explosión cámbrica 570 M• Origen de los vertebrados terrestres 360 M• Extinción de los dinosaurios. La antorcha pasa de

los dinosaurios a los mamíferos 65 M• Origen de Homo sapiens 0,2 M.

Origen de la Vida

• En 1924, el bioquímico ruso Alexander Oparin publicó un libro que exponía su teoría sobre el origen de la vida en la sopa primordial prebiótica

• La teoría postulaba que la atmósfera primitiva de la tierra estaba compuesta por gases como metano (CH4), amoníaco (NH3), hidrógeno (H2) y vapor de agua, estaba en contacto con el agua de los océanos que aún estaban calientes, y expuesta a intensas lluvias, tormentas eléctricas y una fuerte radiación UV

• En esta atmósfera primitiva se habrían originado las primeras moléculas biológicas por condensación de gases que aportaban el carbono, nitrógeno y oxígeno y con la energía de la radiación UV y eléctrica

Atmósfera Primitiva

El Experimento de Stanley Miller

• En 1953, los científicos americanos Harold Urey y Stanley Miller realizaron, en base a lo descrito por Oparín, un experimento de simulación de la atmósfera primitiva caliente (80ºC) y luego de varias semanas recolectaron y analizaron los compuestos sintetizados

• Con sorpresa, detectaron algunos aminoácidos simples (glicina, alanina, aspartato), algunos ácidos orgánicos (cianhídrico, fórmico, acético, láctico), urea y otros compuestos orgánicos simples (formaldehído y sarcosina)

Experimento de Stanley Miller (1953)

80°C

• En experimentos posteriores se han utilizado atmósferas que contienen CO2, soluciones acuosas con ácido cianhídrico (HCN) y ácido fórmico (HCNO) y energía de rayos X, rayos γ, ultrasonido y/o radiación α y β y se han podido obtener hasta 10 aminoácidos, 4 bases nitrogenadas, ácidos tricarboxílicos, ácidos grasos de hasta 10 carbonos y polisacáridos lineales y ramificados que contienen pentosas y hexosas

• En experimentos de simulación de condiciones prebióticas, al mezclar en seco y en caliente aminoácidos y nucleótidos en presencia de polifosfatos y/o catalizadores minerales, se encontró la formación de polímeros de ellos – Aminoácidos péptidos– Nucleótidos ácidos nucleicos (RNA y

DNA)

Primeras Macromoléculas Biológicas

La Evolución Prebiótica

• Para formar una célula hay tres tipos de moléculas indispensables:

1.- Moléculas autorreplicantes (portadoras de información).

2.- Moléculas catalíticas (de gran eficiencia biológica).

3.- Moléculas anfipáticas (capaces de crear ambientes aislados).

RNAs Autocatalíticos

• A inicios de los años 1980, en protozoos, se descubrió la existencia de diversos RNA autocatalíticos, capaces de auto-remover sus intrones, y de otros que catalizaban reacciones sobre otras moléculas, las ribozimas (ribonucleasa P)

• Esto apoyó la concepción del mundo de RNA en el mundo prebiótico

El Mundo de RNA• Existen una serie de argumentos que

apoyan la teoría del mundo primordial donde la información residía en una molécula de RNA– El RNA puede almacenar

información genética– Puede servir de molde para la

síntesis de otras cadenas complementarias de RNA

– Puede actuar como catalizador– Diversas ribonucleoproteínas

participan de la expresión génica y en el mantenimiento del genoma

– Pequeñas moléculas de RNA participan en la edición de otras de RNA como RNA guías

– Múltiples virus poseen un genoma de RNA de simple o doble hebra

Ribozimas (hammerhead y hairpin)

Moléculas Anfipáticas• Características de las moléculas anfipáticas:

– 1. Pueden formar micelas o bicapas espontáneamente en agua.– 2. Las bicapas crecen por adición de moléculas.– 3. Pueden englobar a otras macromoléculas, creando sistemas

cerrados y aislados.

Surgimiento de Sistemas Aislados• La posibilidad de aislar y mantener

juntas una serie de moléculas permitió que se organizaran sistemas más complejos que funcionaban de manera coordinada

• El RNA tuvo la capacidad de generar polipéptidos

• Las proteínas generadas por un RNA, permanecían con él y evolucionaban en conjunto hacia interacciones más eficientes

Surgimiento de las Primeras Membranas y la Compartimentalización

• Las primeras membranas, fueron probablemente sólo de lípidos. Estas permitían separar ambientes y favorecer que reacciones relacionadas se llevaran a cabo más eficientemente por proximidad física y condiciones termodinámicas favorables

• Con el tiempo en la bicapa lipídica se insertaron proteínas que cumplían funciones de transporte de iones y compuestos hidrofílicos y polares que no pueden atravesarla libremente

• El progresos de la evolución molecular, permitió que los procesos metabólicos, como la replicación o la degradación de carbohidratos fueran enclaustrados en compartimentos haciéndolos más eficientes.

Transportadores de Thermotoga maritima y número de genes que los codifican

• El surgimiento de ARN autoreplicantes permitió la aparición de polímeros de aminoácidos, con mayores y mejores propiedades que el RNA

Síntesis Prebiótica

• Surgen así las enzimas, que son los catalizadores fundamentales de las células actuales

• Posteriormente, se habría generado el DNA, molécula químicamente más estable, que reemplazó al RNA para la perpetuación de la información, que se transformó en información genética

Flujo de la Información Genética Actual

U

CC AA C

G

ACCA C

G TT G

TRANSCRIPCIÓN

TRADUCCIÓNADN

ARN ValSer GlyCysAsp

Proteínas

REPLICACIÓN

Las Primeras Células• Los ancestros de las células actuales, fueron

entidades muy simples y no existen vestigios o pruebas de los estados previos a la formación de estas células simples.

• Los fósiles más antiguos de estructuras celulares datan de unos 3600 millones de años atrás

• Y se supone que la existencia de la sopa ancestral y el surgimientos de biomoléculas y después de polímeros con notables propiedades (síntesis prebiótica), habría ocurrido entre los 4000 y 3600 millones de años atrás

Fósiles de estromatolitos de cianobacterias en arrecife de Australia

Fósiles de Células más Antiguos

Tomado de http://museosvirtuales.azc.uam.mx/optosinapsis/estromatolitos/index.html

Estromatolitos

Tomado de http://museosvirtuales.azc.uam.mx/optosinapsis/estromatolitos/index.html

Tomado de http://museosvirtuales.azc.uam.mx/optosinapsis/estromatolitos/index.html

Tomado de http://museosvirtuales.azc.uam.mx/optosinapsis/estromatolitos/index.html

Las Primeras Células

• Las primeras células fueron más simples que un procariota actual, y dado que la atmósfera carecía de oxígeno gaseoso, su metabolismo era anaerobio

• Este procarionte ancestral, anaerobio fue quimioheterótrofo, debido a que obtenía energía de la degradación de compuestos orgánicos simples de la “sopa primordial”, probablemente mediante una vía degradativa similar a la actual glicólisis que genera etanol y agua, y produce 2 ATP y 2 NADH (vía fermentativa alcohólica).

• Con el tiempo, y el agotamiento de los recursos orgánicos disponibles, creo una presión evolutiva que propició el desarrollo de pigmentos, como la clorofila, que capturaban la luz visible y permitían la reducción o “fijación” del CO2 mediante la síntesis de compuestos orgánicos simples como los azúcares (fotosíntesis).

• Es posible que inicialmente el dador de electrones era el H2S y generaba como producto azufre o sulfato. Con el tiempo, el H2O reemplazó al H2S lo cual generó O2 como producto y enriqueció la atmósfera en O2 transformándola en oxidante. Esto ocurrió hace unos 2700 millones de años cuando aparecieron los primeros procariontes fotosintéticos que son ancestros de las actuales cianobacterias

Respiración Anaeróbica

• Proceso citoplamático que no requiere de la participación de oxígeno• Libera parcialmente la energía contenida en la glucosa (2 ATP netos)• Llevada a cabo por organismos enaeróbicos (de preferencia)• Utiliza el poder reductor, NADH, para producir ATANOL (fementación

alcoholica) o ácido LÁCTICO (fermentación láctica) a partir del piruvato, liberando CO2 y NAD+ que permite continuar el proceso

• Desarrollado por microorganismos (levaduras, bacterias), y músculo – C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + Energía (acohólica)

– C6H12O6 2C3H6O3 + Energía (láctica)

Curso Otoño Biología en Contexto I

Respiración aeróbica• Proceso de liberación total de energía contenida en

la glucosa con la participación de oxígeno• Se inicia con la vía glicolítica citoplasmática y

continua en la mitocondria (matriz)• Realizada por organismos Aeróbicos o facultativos• Conlleva la ruptura de todos los enlaces entre

átomos de C y la liberación de todos los de H

– C6H12O6 +6O2 +32Pi -2+ 32ADP-3 +32 H+ 6CO2 + 34 ATP –4 – + 38 H2O

La Teoría Endosimbiótica• El registro fósil data en unos 1500 millones de años, el surgimiento

de los primeros eucariontes, que provenían de un procarionte ancestral

• Este procarionte, por medio de procesos de crecimiento y de invaginación de la membrana plasmática, habrían formado la envoltura nuclear y un retículo endoplásmico y habría poseído un metabolismo anaerobio dando origen a un eucarionte ancestral

• Se discute si fue posterior o simultáneo (en tiempos evolutivos) a la formación del núcleo, que ocurrieron varios eventos de endosimbiosis por este eucarionte ancestral. En esta incorporación, una bacteria tipo púrpura capaz de realizar glicolisis aerobia fue incorporada (en al menos dos eventos) al citoplasma lo que dió origen a las mitocondrias (células animales, hongos) y luego una cianobacteria fue incorporada dando origen a los cloroplastos (células vegetales)

Teoría Endosimbiótica

Teoría Endosimbiótica