Origen de la Vida y Evolución de las Primeras Células: Síntesis Abiótica a Eucariotas - Pr, Apuntes de Biología Celular

¡Descarga Origen de la Vida y Evolución de las Primeras Células: Síntesis Abiótica a Eucariotas - Pr y más Apuntes en PDF de Biología Celular solo en Docsity! 7 BioCel 0708 Tema 2. Evolución celular 2.1 Origen de la vida y de las 2.3 Origen de las células eucariotas primeras células =Mitocondrias a Generación -Cloroplastos espontánea -Teoría simbiótica A Condiciones de la 2.4 Evolución de las células Tierra primitiva eucariotas = Síntesis prebiótica -Sistema de membranas de moléculas -Citoesqueleto orgánicas -Protozoos E Naturaleza de las -Material genético protocélulas 2.5 Origen y evolución de los 2.2 Evolución de los procariotas organismos multicelulares a Estructura -Colonias celulares bacteriana -Especialización y cooperación = Evolución metabólica =Comunicación celular = Cianobacterias =Memoria celular fijadoras de CO, y N, Diferenciación celular = Bacterias aerobias _ = = = BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células Origen de la vida por generación espontánea Nociones preclásicas acerca de la generación espontánea + La generación espontánea ha sido admitida hasta muy recientemente + Creencias preclásicas: = Algunos ejemplos: + China: pulgones-bambú + India: parásitos, moscas y escarabajos - sudor y estiércol - Babilonia: gusanos - limo + Egipto: ranas, sapos, culebras, ratones e incluso cocodrilos - humus del Nilo + Casi todos los ejemplos aluden al mismo tipo de organismos - En general se trata de creencias y explicaciones teogónicas BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células Los clásicos, el medievo y la generación espontánea + Período clásico La teogonía es reemplazada por la cosmogonía - Aristoteles sintetiza los conocimientos: + los seres vivos se generan a partir de sus semejantes o de la materia inerte, + la idea aristotélica de la generación espontánea es vitalista pero inherente a la propia materia = se producía la unión entre la materia inerte con un principio que le infundía vida = la forma de vida depende de las proporciones de la materia + Epoca medieval Explicación teológica - Los seres vivos nacen de la materia inerte mediante un proceso de vivificación espiritual. BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células Experimentos de Redi, Spallanzani y Pasteur + 1626-1698, Francisco Redi contradice la generación espontánea demostrando que sobre carne o pescado bien cubiertos no nacen larvas. = No llega a generalizar sino que acepta la posibilidad de otros = casos de generación espontánea. + Siglo XVIIT, Toblot (discípulo de Leeuwenhoek) demuestra que los microorganismos no se originan por generación espontánea sino por esporas que están en el aire. - Demostración mediante infusiones de heno hervidas 15 minutos después una fracción es tapada y la otra no. Los microorganismos sólo aparecen en la segunda - Buffon y Needham creyeron que las esporas eran las partículas donde se escondía la fuerza vital que vivificaba los productos orgánicos. BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células Composición química de la superficie de la Tierra primitiva Datos procedentes de materiales orgánicos antiguos *«Esquistos de Fig Tree (Sudáfrica) =Antigiiedad 3.100 millones años Composición: + hidrocarburos isoprenoides (purinas, porfirinas, isoprenoides) =Hallazgo de microfósiles (0,6 micras, similares a bacterias) Resumen =Las condiciones primitivas eran ricas en energía =La atmósfera era reductora -Existieron numerosas moléculas orgánicas de origen abiótico =La vida pudo comenzar hace 3.000 millones de años BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células Experimentos sobre síntesis abiótica Hipótesis sobre el origen de la vida (1920) -Oparin propone síntesis abiótica de moléculas moléculas precursoras (azúcares y aminoácidos) de las primeras células. *“Haldane enuncia independientemente la misma hipótesis: CO2+ H20 +WUV > compuestos orgánicos 2.1 Origen de la vida y de las primeras ES células Experimentos sobre síntesis abiótica Simulación de las condiciones de la Tierra primitiva -Experimento de Miller (1953) a 80 *C, 7 días 2.1 Origen de la vida y de las primeras Biocel 0708 células Experimentos sobre síntesis abiótica Simulación de las condiciones de la Tierra primitiva «Experimento de Miller (1953) a 80 *C, 7 días: =obtuvo numerosos compuestos orgánicos, entre ellos aminoácidos, pero no purinas ni pirimidinas. «Experimentos posteriores en ausencia past de metano produjeron resultados Figure 1-1 A typical experiment similares. ia ing conditions on the E - p bh. Water is heard in Se han utilizado fuentes de energía muy aciosed apparstus containing CHa, ¡ € i i i i NHa, and Ha, and an electric diversas: RX, radiaciones ionizantes, cea iog d calor... ve organi SN z umalate in the -Oró incluyó CN(NH4) a 90 *C, 24 h -obtuvo adenina 12 BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células: Sintesis prebiótica de moléculas orgánicas Síntesis de los polímeros *El aporte energético se resuelve gracias a la energía existente y la reacción de compuestos C-N (carbodiimida o cianógeno). *El equilibrio de la reacción de polimerización de aa y nucleótidos libera H,0. *El agua del medio prebiótico desplaza la reacción. *Para que la síntesis de polímeros pueda tener lugar de forma abiótica, es necesario que ocurra en situaciones donde se elimine el H,0 del medio de reacción. BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células: Sintesis prebiótica de moléculas orgánicas Síntesis de polímeros: Polimerización de aa La eliminación del H20 del medio de reacción pudo conseguirse mediante: evaporación, adsorción, desecación y/o congelación. -Evaporación + charcas desecadas. -Adsorción: + Arcillas, silicatos, dispuestos en láminas de 0,7 nm espesor (1 cm*= 2.800 m?). + La gran superficie actúa como catalizador. Los grupos iónicos estabilizan los productos. - Hasta 50 aa, rendimiento = 100% a BioCel 0708 Información complementaria DNA (análogo del sustrato) Las proteínas no son los únicos 5 “catalizadores biológicos: moléculas (3% formadas por combinaciones de tan, sólo 4 bases nitrogenadas también (5') pueden serlo Thomas Cech describió en el microorganismo Tetrahymena (parte thermophila la capacidad de una catalítica) molécula de RNA de S autoescindirse, efectuando un bozima proceso de corte del RNA y 'empalme de los fragmentos. Otro ejemplo fue el descrito por Sidney Altman, quien demostró que en la ribonucleasaP de Escherichia coli, una ribonucleoproteína que corta un segmento de los precursores de tRNAs, es el RNA y no la proteína quien confiere la “capacidad hidrolítica. Estas dos observaciones establecieron que el RNA es una molécula que es capaz de realizar una actividad catalítica De hecho, hoy se postula que las primeras catálisis orgánicas se realizaron por esta capacidad del RNA y no por proteínas. Estas moléculas de RNA que son capaces de romper y formar enlaces químicos se denominaron ribozimas (ribo-enzimas). BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células: Sintesis prebiótica de moléculas orgánicas Flujo de información de polinucleótidos a Cu lipéptidos. polipéptidos [ Ss E Los polinucleótidos de RNA prebióticos ) pudieron desarrollar edo > (7 —— cotogina orita afinidad por ciertos aminoácidos. Así es posible formar polipéptidos codificados por RNAs. 20 BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células: Sintesis prebiótica de moléculas orgánicas * El sistema actual de traducción, basado en mRNA y tRNA, parece confirmar esta teoría. + Por otro lado, los polipéptidos tienen capacidad enzimática. + La actividad enzimática se observa en polipéptidos de 20 o más residuos aminoácidos. Pudieron surgir polipéptidos con capacidad de facilitar la replicación del RNA. + Según este modelo, las combinaciones de RNA-polipéptidos, donde éstos últimos facilitasen la replicación del RNA, podrían resultar favorecidas. + Así podría comenzar a explicarse la maquinaria de síntesis de ácidos nucleicos. 21 BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células: Sintesis prebiótica de moléculas orgánicas * El perfeccionamiento de síntesis de polipéptidos especificados por RNAs requirió la evolución de un código genético. + El código probablemente evolucionó al azar, pero la universalidad del mismo sugiere que las células actuales son descendientes de un único linaje ancestral + El éxito evolutivo de la estirpe inicial se debió probablemente a la mejora de su mecanismo de síntesis proteica. 22 BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células: Naturaleza de las protocélulas Sin compartimentos celulares La primera forma de vida: WITHOUT COMPARTMENTS =surgió por la asociación _replication cycle fortuita de componentes macromoleculares formados abióticamente 3) > — -esto produjo un sistema único, con un valor de 26 —— primitivo - == enzymo supervivencia incrementado / 5 =y capaz de desarrollarse A (<= hacia formas de vida más ES complejas. > RNA 23 BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células: Naturaleza de las protocélulas Con compartimentos celulares WITH COMPARTMENTS «Uno de los procesos cruciales parece que fue la formación de compartimentos que facilitasen la proximidad de moléculas intervinientes en el mismo proceso. «Las moléculas anfipáticas tienen facilidad para crear E tales compartimentos. Estas 5 Cs moléculas, en medio acuoso, forman rápidamente vesículas. E o A 24 BioCel 0708 2.1 Origen de la vida y de las primeras células: Naturaleza de las a protocélulas | ANA + porpopunos Adquisición del ADN como 7 evoLunenos material hereditario Y ADAPTOR RAS «Se estima que el material á hniA aa prateln-basea systems > hereditario original fue RNA con | función codificante y actividad mn | catalítica. N o “Posteriormente, las proteínas | c asumieron la actividad catalítica y el ADN, más estable, la función hereditaria. El ARN actual es la conexión entre ambas clases de moléculas. A BioCel 0708 2.2 Evolución de los procariotas: Evolución metabólica Evolución metabólica «De este tronco común surgirían en la evolución tres modelos de células procariotas : _———— Moramecaidos, algunes ameatrtlopelados. + arquebacterias + eubacterias « urcariotas s 3 Pasada ca tempo (10 Panes) 30 BioCel 0708 2.2 Evolución de los procariotas: Evolución metabólica Evolución metabólica *En los comienzos de la vida, es probable que las células sobrevivieran aprovechando la gran cantidad de moléculas sintetizadas prebióticamente. "Las primeras células fueron heterótrofas anaerobias. | Y Durante un período de más de ( Heterótrofas 2000 millones de años, solamente | Gnaerobias existieron estas formas celulares. Es probable que se adaptaran a vivir en todos los ambientes posibles mediante el "ensayo" de todos los posibles mecanismos para realizar su metabolismo. 3 ] BioCel 0708 2.2 Evolución de los procariotas: Evolución metabólica Así, se organizaron las rutas Mbtabólicas. rectos avala in ño oxteral environment * La más antigua es la glicolisis con N y A porque es compartida por todos » los organismos o o + La degradación del azúcar- fosfato se realiza , anaeróbicamente, ausenciade O, , Ca . Esta ruta metabólica, productora de o energía en forma de ATP es el centro de otras muchas relacionadas con la síntesis de moléculas o la : a degradación de sustratos. . new entyme Las reacciones que implican enlaces tioéster también parecen ser muy antiguas. - A BioCel 0708 2.2 Evolución de los procariotas: Evolución metabólica *El aumento de organismos vivos produjo disminución de los 7 Autótrofas ==. recursos naturales. anaerobias «Los organismos que 'fijadoras de COz desarrollaron nuevas reacciones capaces de producir moléculas orgánicas útiles adquirieron ventaja evolutiva. «Los organismos capaces de utilizar átomos de CO2 y N2 > directamente de la atmósfera tendrían gran capacidad de supervivencia. «Aparecieron las primeras células autótrofas anaerobias. 33 BioCel 0708 2.2 Evolución de los procariotas: Evolución metabólica Células fijadoras de CO2 y N2 :CO2 y N2 son moléculas muy estables. «Hace falta mucha energía para disociar sus enlaces y muchas reacciones para conseguir sencillas moléculas tales como azúcares. «La energía (E) de la luz pudo ser utilizada tras su captación por moléculas de clorofila, donde se excita un e que al volver a su nivel energético cede dicha E. «Esta E es aprovechada por otra molécula capaz de ceder e” que son a su vez transferidos hasta CO, y N, que finalmente se tornan reactivos. 34 = = BioCel 0708 2.2 Evolución de los procariotas: Evolución bacteriana anaerobic bacteria living in hot acid conditions le.g., sulfur bacteria) bacteria living in extreme salt conditions (extreme halophilos) anaerobic bacteria that reduce CO) to methane (methanogens) [ANCESTRAL PROCARYOTE gram positive bacteria green photosynthetic bacteria (anaerobic) ¡ERRE purple photosynthetic bacteria ía (blue-green algae) id nonphotosynthetic gram negative bacteria spirochetes 39 BioCel 0708 2.3 Origen de las células eucariotas: Mitocondrias y peroxisomas Características comunes con bacterias: MA * tamaño y forma + contienen ADN + realizan síntesis proteica * se dividen por fisión Origen * Simbiosis de células anaerobias con otras aerobias + Ejemplos actuales de primeros eucariotas: -existen eucariotas que viven en medios pobres en O, y carentes de mitocondrias, p.e. Diplomónadas y microsporidios a BioCel 0708 2.3 Origen de las células eucariotas Mitocondrias y peroxisomas Huésped antecesor urcariota Las bacterias se convierten en: peroxisomas ES E BioCel 0708 2.3 Origen de las células eucariotas Mitocondrias Evolución como consecuencia de la adquisición de mitocondrias «Diferenciación de la membrana Ya no es necesario mantener grandes diferencias en concentración de H+ en la membrana plasmática, así puede evolucionar hacia cambios de permeabilidad mediante canales iónicos. sto facilita la señalización celular, p.e. almente en el sistema nervioso 42 ol = = E BioCel 0708 2.3 Origen de las células eucariotas Cloroplastos Similitud con cianobacterias «Los cloroplastos son similares en tamaño y organización de las membranas que contienen la clorofila «Similitud entre regiones del ADN cloroplástico y bacteriano. bacterias fotosintéticas ascentrales .... se convierten en cloroplastos 43 BioCel 0708 2.3 Origen de las células eucariotas Teoría endosimbiótica de Lynn Margulis células eucariotas: células eucañotas: plantas y algunos protstas. animales, hongos y algunos protistas 44 BioCel 0708 2.4 Evolución de las células eucariotas Material genético Histonas -Plegamiento del ADN para protegerlo y hacerlo manejable en forma de cromosomas -Las histonas están altamente conservadas, sus aminoácidos son similares en especies vegetales y animales. La interacción entre el ADN y otros elementos celulares facilita el control de las etapas celulares + La unión de los cromosomas al huso mitótico facilita el reparto del material a las células hijas + La compartimentalización de las funciones del material genético en diversas etapas: -replicación en el núcleo =transcripción y maduración en el núcleo =traducción en el citoplasma 49 : E E = BioCel 0708 2.5 Origen y evolución de los organismos pluricelulares Colonias celulares Asociación de células para formar una colonia «Ejemplos de procariotas: Myxobacterias -colonias de células que se alimentan por vertido de enzimas digestivas -se agrupan en cuerpos fructíferos formados por esporas en condiciones desfavorables Algas verdes unicelulares, colonias y multicelulares =unicelulares Chlamydomonas flagelado =colonias Gonium 4-32 células, unidas por una matriz extracelular, flageladas pero orientadas por lo que se mueven en la misma dirección, cada célula es independiente, puede dar lugar a una colonia. 50 2.5 Origen y evolución de los organismos pluricelulares — ..,.. Especialización y cooperación Ejemplos de primeros epitelios en los coelenterados (anémonas, corales, hidras): a Y -El epitelio contiene células con S ST «0 diversas especializaciones ene ; a relacionadas con la digestión -La Hydra tiene varios tipos contra celulares especializados, epitelio, ,, A ectodermo, células nerviosas y fibras musculares =Las células nerviosas coordinan las contracciones para producir movimiento -Estas células están en los intersticios de los epitelios Ph A Ly, por tanto, aisladas del medio externo y rodeadas de una solución similar a la del agua de mar. -Probablemente, la evolución de los epitelios permitió alojar a las células nerviosas en este medio aislado, proporcionando autonomía. 2.5 Origen y evolución de los organismos Er saipzoS pluricelulares Comunicación y Memoria Comunicación celular Además de la cooperación es necesaria la comunicación celular «Ejemplo: Hydra -puede regenerar cualquier parte de su cuerpo independientemente, debido a señales que pasan de unas células a otras =si se impIdS el desarrollo del sistema nervioso, Hydra se desarrolla y funciona normalmente salvo en motilidad. Memoria celular «Los organismos actuales tienen un sistema de organización similar pero más complejo gracias a la memoria celular. |——=A medida que el organismo crece sus células se diferencian en función de su posición e interacción con células próximas. =La diferenciación se mantiene posteriormente en ausencia de los estímulos iniciales. 52 BioCel 0708 2.5 Origen y evolución de los organismos pluricelulares Diferenciación Un animal superior tiene más de 200 tipos celulares. + Las funciones celulares son muy diversas y especializadas. * El mecanismo básico que regula la diferenciación es la regulación de la expresión génica. =Salvo excepciones, las células mantienen toda la información genética que recibió el cigoto >La regulación de la expresión génica puede observarse en los procariotas en respuesta al medio externo -Las células eucariotas pueden regularse tanto en relación con el medio externo como con el interno, mediante cambios estables en la expresión génica. 53 BioCel 0708 2.5 Origen y evolución de los organismos pluricelulares OXYSEN LEVELS IN, ATMOSPHERE A ame IBLLONS: ———* DFVEARS! eL Pus mi Nm a s | 1 ns rd loose cortinenis net waterspiMin tntosenttsi foleasos O, est varones formation the ear aercbie list ost nee resoiration Fist calizo! lor plo haces. and anivals mides