02a. origen de la vida 2013 (david véliz)
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ORIGEN DE LA VIDA
Esquema de esta clase Origen del Universo Origen de la Tierra Origen de la Atmosfera Origen de la Vida
Origen del Universo. Importante saber: 1.- Hidrogeno es la fuente de energía de las estrellas. A partir de esto logran radiar energía
2.- Como las estrella se consumen en hidrogeno, otros elementos como Helio y carbono se acumulan a partir de varias reacciones de fusión
3.- Otros elementos se forman durante el envejecimiento de las estrellas. Ej. Supernova
4.- La continua transfomación del Hidrogeno hace pensar que esta fuente de energia se va a acabar alguna vez. Con esto se acabarían las estrellas
FIN
Teoría del Origen del Universo. Teoría del Big-Bang
-Hace mucho tiempo el Universo fue una esfera muy pequeña de un concentrado de energia-materia (14-16 M Mill)
-Esta energía-materia explotó en un Big-Bang produciendo Hidrogeno primero y luego las estrellas y planetas. Teoría del Big-Bang Oscilatorio - El Universo se expande y se contrae en un evento repetitivo
Teorías de la formación de la tierra Teoría de la condensación (hipotesis nebular). (Kant). Una gran masa
de materia se condensó el sistema solar, hace 4.6 bya
Nébula solar (fragmento de una nube interestelar)
Concentración y aplanamiento de la nebula solar
Condensación de la materia nebular en meteoritos y protoplanetas
Solidificación de planetas
- Estimaciones muestran que hace 4.5 – 4.6 mil millones de años atrás
se formó la tierra - La vida no comenzo de inmediato … la
tierra presentó una temperatura muy elevada durante mucho tiempo
- Especial por: Presentar agua en estado líquido Presencia de atmósfera
La Tierra …
Elementos presentes
H, O, C, N, S, P
Ancestro común de todos los organismos
Arbol de la vida
Organismos existentes
Forma primordial (La primera cosa viviente)
x
“Organismos” extintos
Origen de las moleculas orgánicas En los años 20, Oparin (1894-1980, Rusia) y Haldane (1892-1964, Inglaterra), propusieron independientemente que la atmósfera terrestre primitiva tenía otra composición, mucho hidrógeno
Experimento de Miller (1953)
Dado que algunos autores indican que en la atmósfera existían niveles altos de Dióxido de Carbono, Cleaves et al (2008) realizan nuevos experimentos
Y los elementos que componen el DNA y RNA?
Juan Oró (1961) demostró que la reacción:
+ HCN
adenina Cianuro de Hidrogeno
Otros investigadores demostraron la síntesis de C, U, T
Ribosas:
Puede sintetizarse a partir de una cadena de reacciones de condensación de formaldehido
¿Y si las condiciones en la tierra nunca fueron propicias para producir
moléculas orgánicas???
Teoría de la Panspermia La vida tendría un origen
extraterrestre
Australia, 1969 = meteorito analizado presentó una docena de aminácidos
Habrían llegado con un meteorito (Ej. Bacterias fósiles de meteorito?)
La evidencia sugiere que una lluvia de cometas trajeron a la tierra: • agua • moléculas orgánicas •componentes de la atmosfera
todos ingredientes necesarios para el comienzo de la vida
Sintesis abiótica de polímeros
Para que la vida comience, los polimeros deben ser formados sin ayuda de enzimas o células
Monómeros pueden polimerizar en algunas condiciones - rocas calientes - olas - lluvia - profundidad del mar
¿Qué fue primero?
Proteína DNA
Realizan muchas funciones biológicas
Pero no se « reproducen»
No guardan ni pueden transmitir información
Guarda y transmite información
No hace otras funciones biológicas
RNA = guarda, transmite y ejecuta funciones
Forma primordial (La primera cosa viviente)
x
Ancestro común de todos los organismos
Arbol de la vida
Replicación abiótica de moléculas - RNA fue probablemente el primer material hereditario - Guarda y transmite información - Moléculas de RNA puede ser sintetizadas abioticamente
- RNA puede tener actividad catalítica (ribozymes)
Ribozimas:
En los ’80 se descubrió enzimas capaces de unir y destruir los puentes que unen los ácidos nucleicos en cadenas
Poco eficientes
Lentas
(Altman & Cech ganaron
el Nobel en 1989)
Evolución del RNA
Evolución de Ribozimas puede ser simulado en el laboratorio. Los resultados mostraron que los nuevos ribozimas presentaron una estructura diferente y desarrollaron un nivel más elevado de reacción (trabajan más rápido)
De RNA a DNA Existió durante mucho tiempo un sistema de vida basado sólo en RNA
Luego apareció el ADN - Molécula más estable a altas temperaturas - Más dificil de degradar con ácidos y bases
¿y después qué?
LOS PROTOBIONTES
- Protobionte = agregación abiótica de moléculas que mantienen un medio ambiente interno diferente
– Liposomas = lípidos que se organizan por si mismo
formando una bi-capa • Pueden contener moléculas orgánicas • Semi-permeables, absorben sustratos, liberan
productos • Osmoticamente se pueden hinchar y contraer • Pueden tener un potencial de membrana (carga) • Pueden “crecer” & “reproducir”
– No es una cosa viva pero presentan ciertos rasgos de vida
Liposomas pueden “crecer” cuando incorporan otros liposomas mas pequeños o se “reproducen” liberando pequeños liposomas
Las enzimas pueden ser incorporadas en los protobiontes
• Los protobiontes pueden absorber substrato desde su entorno y liberar el producto de la reacción catalítica de las enzimas
+ + = Substratos moléculas activas
(enzimas)
energía dentro de
la membrana
evento crítico para el comienzo
de la vida
El Dogma Central
DNA RNA Proteina Información
genética Función Información genética
(tranferencia y función)
precambrico
(aparición de primeros eucariotas)
¿Qué es vida?
Vida es la compartamentalización y organización de reacciones químicas que funcionan en bloque, capturando y guardando energía para luego propagarse como entidad
Toda cosa que se produce por si sola, guarda y trasmite información (genotipo) y expresa esta información (fenotipo)
¿Qué está vivo?
Primera vida en la tierra … 3600 millones de años de micro-organismos
- Procariontes fueron los únicos organismo presentes por varios millones de años
Primeros organismos en la tierra
La innovación: desarrollo de células:
- Compartamentalización de funciones
- genotipos producen fenotipos
Cianobacterias (algas verdes-azules) en Australia.
3460 millones de años Schopf 1993 Science 260:640
Cianobacteria viviente
Procariontes dominaron la tierra durante mucho tiempo
• Fuentes de fósiles procariontes son los
stromatolites (Capas microbianas fósiles) y sedimentos de antiguos fosas hidrotermales – Esto indica que los procariontes habitaron en diversos
ambientes en 3000 millones de años de vida
Importante
La naturaleza del medio ambiente condiciona la vida de los organismos en el lugar
PERO
Los organismos pueden modificar el medio
ambiente en el cual viven
Oxígeno atmosférico se comenzó a acumular hace 2700 millones de años atrás
• Fotosíntesis se desarrolló probablemente muy temprano en la vida de los procariontes
–Primeras versiones de fotosíntesis no usaron agua ni liberaron O2
• Cianobacteria, organismos fotosintéticos que rompen el agua y liberan O2 son los primeros responsables del aumento del oxígeno en la atmosfera.
Aumento del Oxígeno en la Atmosfera
Hay dos (tres) hipótesis: 1.- Podría haber aumentado hace 2 o 3 mil millones de años atrás. Luz Ultravioleta = H20 Hidrogeno + Oxigeno Así el Hidrogeno escapó de la atmosfera, pero el Oxígeno no
Acumulación de Oxígeno
• El O2 tuvo un enorme impacto en la vida, destruyendo varios grupos procariontes – Algunas especies sobrevivieron en habitats que son
todavía anóxicos (“anaerobicos obligados”)
• Otras especies desarrollaron mecanismos para usar O2 en la respiración celular y así guardar energía en moleculas orgánicas de reserva
• Así, los procariontes alteraron el planeta (a partir del aumento del O2), haciendo la respiración aeróbica posible y dando posibilidad a otras formas de vida (eucariotas)
Primeros eucariontes aparecen (según registro fósil) = 1.85 – 2.1 mil millones de años atrás
Grypania spiralis
-Descubierta en China - (1.1 - 1.4 mil millones de años)
-Han & Runnegar (1992), descubren en Michigan algo muy similar pero con fecha 1.85 - 2.1 mil millones de años
- Es posible que este sea uno de los primeros eucariotas - probablemente fue un alga
Cómo aparecen los eucariontes?
Razón alta de K+/Na+
Alta concentración de
Zinc, Manganeso y Fosfatos
Cómo saber si todos tenemos un origen común???
Todos tiene el ciclo de la glicólisis (degradación de glúcidos).
Todos poseen DNA que codifican polipéptidos.
Todos usan el mismo código genético para los aminoácidos
Todos tienen membrana citoplasmática y ribosomas
Representantes de los tres grupos poseen algunas características comunes:
•RNA Ribosomal (rRNA) (Woese 1977)
•Todos los organismos presentan rRNA, hacen la traducción y presentan una estructura terciaria similar
•Con esta información, se puede construir un arbol de la vida universal
Filogenia de toda la vida
• Dificultad: que genes muestran similitides reconocibles entre todos los organismos? Ej. Bacterias y Humanos?
Nuevo arbol de la vida basado en pequeña subunidad rRNA (Woese 1996)
Inferencias a partir de la nueva reconstrucción filogenética
•Nuevos resultados: – Relación muy cercana entre Eucarya (nosotros) y el grupo poco conocido llamado Archaea (“bacterias extremofilas”)
– Menor historia evolutiva de separación entre plantas y animales
•Tres reinos: Bacteria, Archaea, Eucarya
Cómo saber cual grupo es mas antiguo?
Falta un outgroup!
Arbol a partir de genes que sostiene que Archaea y Eucarya son cercanos en relación a Bacteria
Arbol a partir de genes que sostiene que Archaea and Bacteria son cercanos en relacion a Eucarya
Qué genes reflejan una relación “verdadera” entre
Bacteria-Archaea-Eucarya?
•Un solo arbol filogenético no es lo más apropiado •“Ancestro” puede haber sido un grupo de organismos que intercambiaban material genético
Ancestro común de toda la vida (“cenancestor”) fue una comunidad de especies que intercambiaban genes unos con otros
Ramas principales del arbol aparecen claramente pero genes individuales reflejan patrones ancestrales de transferencia de genes