BIOLOGIA MOLECULAR Y CELULAR ORIGEN DE LA VIDA, VIDA, TEORIAS, EVOLUCIÓN, CELULA Blga. YSABEL MURRUGARRA BRINGAS
¿QUÉ ES VIDA? Desde el punto de vista biológico VID A
SER VIVO
Se relaciona a las capacidades que tiene un ser vivo de nacer, crecer, crecer, reproducirse reproduci rse y morir m orir,, a lo largo de sucesivas generaciones e incluso puede evolucionar. Cualquier sistema químico capaz, como mínimo, de transferir transferir su información molecular a través de la auto-reproducción auto-reproducción y de evolucionar.
¿QUÉ ES VIDA? Desde el punto de vista biológico VID A
SER VIVO
Se relaciona a las capacidades que tiene un ser vivo de nacer, crecer, crecer, reproducirse reproduci rse y morir m orir,, a lo largo de sucesivas generaciones e incluso puede evolucionar. Cualquier sistema químico capaz, como mínimo, de transferir transferir su información molecular a través de la auto-reproducción auto-reproducción y de evolucionar.
CARACTERISTICAS DE LOS SERES VIVOS
COMPLEJIDAD EN EL UNIVERSO
Los seres vivos se han formado en la Tierra Sabemos:
Edad de la Tierra: 4500 millones de años
¿Qué pasó en estos 1000 millones de años?
Fósiles más antiguos: 3500 millones de años
TEORIAS DEL ORIGEN DE LA VIDA Para explicar esto han existido grandes corrientes de pensamiento: Creacionismo La generación espontánea Teoría del origen químico de la vida Panspermia Hidrotermal
EL CREACIONISMO
Sostiene que la vida en la Tierra habría sido creada por una fuerza sobrenatural. Inmovilismo de las especies.-Sostiene que cada una de las distintas especies se habría originado separadamente de las otras y que no había experimentado modificación alguna en el transcurso de las generaciones sucesivas. Actualmente los fundamentos del creacionismo son ignorados por la mayor parte de la comunidad científica porque no pueden ser sometidos a una verificación experimental.
PANSPERMIA (semillas en todas partes) Esta idea fue introducida en el siglo XIX por Svant August Arrhenius. Dicha teoría defiende que la vida en la Tierra se habría propagado de un sistema solar a otro por medio de esporas de microorganismos que viajaban en meteoritos. A favor: Algunos cometas y meteoritos se han encontrado moléculas orgánicas (agua, aminoácidos...) •
Algunos meteoritos llegados a la Tierra tienen fósiles de lo que serian bacterias •
El interés en la panspermia fue renovado por la identificación de hidrocarburos policíclicos aromáticos (HPAs) en el meteorito Allende (México - Chihuahua, 1969). Los HPAs se forman durante la combustión incompleta del carbón, aceites, gases, madera, residuos domésticos, y en general substancias de origen orgánico. Se encuentran de forma natural en el petróleo, el carbón, depósitos de alquitrán y como productos de la utilización de combustibles, ya sean fósiles o biomasa.
La NASA en 1996, anuncia la presencia de hipotéticas bacterias fósiles, más pequeñas que las terrestres, en el meteorito Allan Hills, caído hace 13,000 años en la Antártida. Los investigadores a cargo basan su aseveración en la conjunción de cuatro evidencias: 1. Compuestos orgánicos: (HPAs) 2. Asociación mineral en desequilibrio, que pudieran ser microfósiles de bacterias primitivas. 3. Magnetita, semejante a las producidas por bacterias terrestres. 4. Presencia de estructuras en forma de bacteria llamada “Gusano Marciano” tomada el 2004 por la
sonda robótica Opportunity de la NASA.
GENERACION ESPONTANEA
Esta teoría fue apoyada por Aristóteles , Van Helmont, entre otros. (1577-1644) Es una antigua teoría biológica que sostenía que podía surgir vida animal y vegetal de forma espontánea, a partir de la materia inerte (barro, estiércol, ropa sucia, etc.) sin sufrir ningún tipo de proceso previo, simplemente aparecían.
En 1668 el médico italiano Francesco Redi (1626 – 1697) refutó la hipótesis de los gusanos a partir de la carne. Colocó pedazos de carne en frascos, unos abiertos y otros herméticamente cerrados. A los pocos días encontró gusanos en los frascos abiertos, pero no en los cerrados.
JOHN NEEDHAM (1713 – 1781) VS. LÁZARO SPALLANZANI (1729 – 1799): Sostuvieron una disputa acerca del origen de los microorganismos en caldos de cultivo. Needham atribuía la presencia de microorganismos en los caldos de cultivo a una “fuerza vital”; demostró su experimento colocando caldo de cordero
recién retirado del fuego en un tubo de ensayo y cerrado herméticamente; después de algunos días el caldo estaba lleno de microorganismos. Spallanzani adujo que el caldo no había sido esterilizado adecuadamente, en 1768, realizo una nueva serie de experimentos en los que hirvió entre 30 y 45 min. frascos que contenían un caldo nutritivo (frascos sellados y otros no), y observo que en los frascos sellados no se observo microorganismos y demostró así que la generación espontánea no se producía.
A mediados del siglo XIX, Louis Pasteur en Francia y John Tyndall en Inglaterra refutaron la idea del caldo que se transforma en microorganismos.
Se demostró que ninguna forma de vida puede originarse espontáneamente de la materia inorgánica, sino únicamente de la vida preexistente, éste es el denominado proceso de la BIOGÉNESIS (QUE TODO SER VIVO PROCEDE DE OTRO SER VIVO).
TEORIA HIDROTERMAL
Fue propuesta por John B. Corliss, (1977) Se fundamenta en la energía geotérmica presente en los manantiales termales submarinos, la cual sería la fuente de energía para el origen de la vida. Corliss mantuvo la noción de Oparin, de que los primeros organismos abrían sido heterótrofos . Günter Wächtershäuser (1988), planteó la hipótesis de que los primeros organismos serían de tipo termofílico y, a diferencia de lo expuesto por Oparin y Corliss, serian quimioautótrofos (metabolismo de partículas sólidas de sulfuros de metales de transición, principalmente sulfuros de hierro). Los iones metálicos en los sulfuros desempeñarían el papel de catalizadores, ya que en condiciones prebióticas no existían enzimas.
EL ORIGEN QUÍMICO DE LA VIDA
Es la teoría mas aceptada para explicar el origen de la vida, se basa en la hipótesis química expuesta por el ruso A. Oparin y el inglés Haldane en 1923. Alexander Oparin fue el primero en proponer la idea que la vida se había formado en la Tierra primitiva, en unas condiciones que no encontramos en la actualidad.
De la atmósfera primitiva reducida se sabe:
Era pobre en O2: la materia orgánica puede acumularse. La radiación ultravioleta solar llegaba hasta la superficie de la Tierra (energía para la síntesis de materia orgánica)
Era rica en CH4, NH3, H2 , H2Ov Además,
La temperatura de la Tierra era elevada. Gran actividad volcánica. “Inestable” (impactos de meteoritos) Proponía que en estas condiciones era posible la síntesis de las biomoléculas necesarias para la vida (aminoácidos, bases nitrogenadas, glúcidos, lípidos)
EXPERIMENTO DE UREY Y MILLER
En la década del 50, dicha hipótesis ha podido, en parte, ser confirmada por el químico Miller, que bajo la dirección de Urey, simuló en un balón de vidrio la atmósfera primitiva con la mezcla de gases y la sometió a descargas eléctricas, con lo que comprobó presencia de compuestos orgánicos.
UTILIZARON: agua (H2O) metano (CH4) amonio (NH3) e hidrógeno (H2)… pero no OXIGENO
EXPERIMENTO DE UREY Y MILLER
Todas estas moléculas formadas en los mares primitivos se fueron acumulando y aumentando en complejidad (polimerización) creando la “sopa primitiva” que permitió la
formación de COACERVADOS (pequeñas gotitas formadas por diferentes polímeros en soluciones acuosas, combinaciones de proteínas, azucares, lípidos y ácidos nucleicos).
El último requisito para tener una “célula” es la existencia de un
material genético asociado a los coacervados sobre el cual la selección natural pueda actuar y escoger aquellas combinaciones más idóneas.
Pueden haberse formado por calor o por la ayuda de catalizadores (polifosfatos inorgánicos)
Una vez que se ha formado un polímero, éste éste puede influir en la formación de uno nuevo, ya que puede actuar como “molde” en una nueva reacción de
polimerización.
Los mecanismos mecanismos de duplicación requieren de la presencia de un catalizador. En los tiempos primitivos, iones metálicos y minerales como la arcilla podrían haber cumplido la función de catalítica. Pero, Pero, lo que es más importante, el propio ARN pudo haber actuado como catalizador.
EVIDENCIA
J. Ferris y coll, del Instituto Politécnico Rensselaer, Nueva
montmorillonita. La montmorillonita es una arcilla natural ácida, que se
York, (1993), establecieron que se forman pequeños polímeros de nucleótidos (oligonucleótidos) por medio de catálisis no biológica. El experimento consistió en una disolución acuosa de nucleótidos, agitada en presencia de utiliza en química orgánica como catalizador, a la cual se fijan los nucleótidos antes de reaccionar para formar pequeños polímeros. Es interesante señalar que, en los ácidos nucleicos que se forman, la mayor parte de los nucleótidos se une por medio de enlaces idénticos a los que se encuentran en los RNA y DNA biológicos.
Por lo tanto, la molécula de RNA tiene dos propiedades fundamentales:
Lleva información codificada en una secuencia de nucleótidos, orden que puede transferir mediante copia. Tiene una estructura tridimensional única que determina cómo interaccionar con otras moléculas y cómo responder a las condiciones del ambiente. Estas dos propiedades informativa y funcional son fundamentales en la evolución. La información codificada del ARN es igual al genotipo (información hereditaria), en tanto que la forma expresada es igual al fenotipo expresión de la información genética.
INVESTIGACIONES CIENTIFICAS QUE SIRVEN DE EVIDENCIA (1)
En la década de 1980, Thomas Cech de la Universidad de Colorado y Sidney Altman de la Universidad de Yale, Premios noble de Bioquímica 1989, descubrieron que ciertas moléculas pequeñas de ARN, llamadas RIBOZIMAS, actúan como enzimas que catalizan reacciones celulares, entre ellas, la síntesis de más moléculas de ARN y además almacenar los códigos genéticos. Las ribozimas han sido definidas como falsas enzimas ya que después de la reacción no recuperan su estructura molecular (poseen un solo ciclo de reacción).
PROTOBIONTE Fueron los precursores evolutivos de las primeras células procariotas. Se originaron por la convergencia y conjugación de microesferas de proteínas, carbohidratos, lípidos y otras substancias orgánicas encerradas por membranas lipídicas. Según Oparin & Haldane, los Eubiontes dieron origen a los primeros seres vivos.
LA EVOLUCION CELULAR PROTOBIONTES 3700 millones de años PROCARIOTAS (heterótrofas anaeróbicas) 3500 millones de años PROCARIOTAS (autótrofas anaeróbicas) 2500 millones de años Formación atmósfera oxidante 2300 millones de años
PROCARIOTAS (aeróbicas) 2200 millones de años EUCARIOTAS 1800 millones de años Atmósfera oxidante actual 750 millones de años
TEORIA ENDOSIMBIOTICA
Lynn Margulis.- Describe las incorporaciones simbiogenéticas que se dieron para formar a las células eucariotas a partir de las células procariotas Según la estimación más aceptada, hace 2.000 millones de años, la vida la componían multitud de bacterias: Adaptadas a los diferentes medios (cambiantes e inestables). Con diferentes metabolismos usados por las bacterias frente al único usado por los pluricelulares: el aeróbico (que usan el oxígeno como fuente de energía; las plantas utilizan dos: aeróbico y fotosíntesis).
Medio anaeróbico
Bacterias fotosintéticas (cianobacterias) incorporando plastos
Arqueafermentadora
Medio aeróbico
Espiroqueta Bacteria respiradora de oxigeno de vida libre(proteobacterias ). Darían origen a las Mitocondrias y peroxisomas
EVOLUCION BIOLOGICA
Una vez que la vida surge sobre la Tierra, se nos plantea un nuevo interrogante:
¿Cómo a partir de una sola célula han podido aparecer todas las especies, tan diferentes que existen hoy en día?
TEORIAS DE LA EVOLUCION TEORIAS PREEVOLUTIVAS:
CREACIONISMO FIJISMO CATASTROFISMO
TEORIAS EVOLUTIVAS:
LAMARCKISMO DARWINISMO NEODARWINISMO PRIMITIVO NEODARWINISMO MODERNO O TEORIA SINTETICA TEORÍA SALTACIONISTA O DEL EQUILIBRIO PUNTUADO GRADUALISMO FILETICO
TEORIAS PREEVOLUTIVAS
Teoría creacionista, el origen de cada una de las especies se debía a un acto creador específico. De manera complementaria a esta idea, la teoría fijista sostenía que las especies se mantienen invariables a lo largo del tiempo. Carl von Linné (1707-1778), sintetizaba así estas teorías: “Hay tantas especies diferentes como formas diversas fueron creadas en un principio por el ser infinito”.
Georges Cuvier (1769-1832) también era partidario de la inmutabilidad de las especies. Consideraba que los fósiles eran restos de seres vivos que habían existido en tiempos pasados, pero no de especies antecesoras de los organismos actuales. Para explicar la desaparición de las especies fósiles aplicó la teoría geológica del catastrofismo. Según ésta, durante el transcurso de la historia de la Tierra, habían sucedido varias catástrofes o cataclismos que provocaron la extinción total de ciertas especies.
TEORIAS EVOLUTIVAS
J.B. DE LAMARCK (1744-1829) publicó en 1809 la obra Filosofía zoológica, en la que expone su hipótesis sobre la transformación gradual de las especies a lo largo del tiempo, para Lamarck, las especies actuales provenían de especies primitivas, hoy extinguidas, que habrían sufrido modificaciones sucesivas; esta nueva idea recibió el nombre de EVOLUCIONISMO. Según Lamarck estas transformaciones se debían a que cuando cambiaban las condiciones ambientales, los seres vivos desarrollaban caracteres que les ayudaban a vivir mejor (ADAPTACIÓN AL MEDIO) y luego esos caracteres se transmitían a sus descendientes, apareciendo especies nuevas; es lo que llamaba la HERENCIA DE LOS CARACTERES ADQUIRIDOS.
El ejemplo más explicado por el lamarkismo es el origen del cuello en las jirafas. Según esta hipótesis, el cuello de estos animales se debe al ESFUERZO continuo de unos antílopes originales para llegar a las hojas más altas de los árboles. Estos esfuerzos harían que los cuellos se alargaran unos centímetros y pasarían a la descendencia. Después de muchas generaciones, el cuello iría creciendo hasta las dimensiones actuales.
La
CHARLES DARWIN TEORÍA DE LA EVOLUCIÓN EVOLUCIÓN BIOLÓGICA.- Es el proceso
continuo de transformación de las especies a través de cambios producidos en sucesivas generaciones, y que se ve reflejado en el cambio de las frecuencias alélicas de una población.
Para la biología, la evolución es un cambio en el perfil genético de una población de individuos dentro de una misma especie. Desde los años 1940, cuando emergió la nueva ciencia de la genética, la evolución ha sido definida más específicamente como un cambio en la frecuencia de alelos entre una generación y la siguiente.
El darwinismo se basa en los siguientes principios básicos: Las
especies cambian continuamente, aparecen unas y se extinguen otras. Además, viendo el registro fósil nos damos cuenta que cuanto más antiguo es el fósil, más diferente se presenta respecto a los seres actuales. La
evolución es un proceso gradual, continuo. Existe una gran variabilidad entre las especies. Ejemplo: Sinsontes (pinzones) de las Galápagos.
LA EXPLICACION DE DARWIN :
PRUEBAS DE LA EVOLUCION Las pruebas en las que se basa la evolución son las siguientes: Pruebas biogeográficas Pruebas paleontológicas Pruebas anatómicas Pruebas embriológicas Pruebas bioquímicas
PRUEBAS PALEONTOLÓGICAS Basadas en los fósiles. Los más antiguos tienen unos 3500 millones de años y corresponden a los estromatolitos.
ESTROMATOLITO
PRUEBAS MORFOLÓGICAS Y ANATOMICAS ÓRGANOS HOMÓLOGOS Son los que tienen el mismo origen embriológico y, como consecuencia, la misma estructura interna, aunque su forma y función sean diferentes. Por ejemplo, las extremidades anteriores de los vertebrados. Al adaptarse a diversas funciones (volar, nadar, galopar, excavar, etc) se produce una evolución divergente de las especies que proceden de un antepasado común. Así pues, los órganos homólogos indican un parentesco evolutivo con antepasados comunes.
ÓRGANOS ANÁLOGOS
Son los que realizan la misma función, aunque tengan una estructura interna distinta y un origen embriológico diferente. Por ejemplo, son órganos análogos las alas de un insecto y las de un ave. Se considera que su similitud se debe a la adaptación a una misma función (volar) mediante una evolución convergente. Estos órganos no constituyen una prueba de parentesco, pero sí de la teoría de la evolución.
PRUEBAS BIOGEOGRÁFICAS
PRUEBAS EMBRIOLÓGICAS
PRUEBAS BIOQUÍMICAS
Se basan en el estudio comparado de las moléculas de los organismos de distintas especies. Se observa que cuanto más similares son las características morfológicas entre dos individuos, más parecidas son las moléculas que los constituyen. Esta relación no se daría con carácter general si cada especie se hubiera creado independientemente. Sin embargo, si una especie procede de otra por transformación, se explica que sus moléculas se parezcan más a las de las especies más próximas. Al comparar moléculas de distintos organismos, sobre todo de ácidos nucleicos (ADN y ARN), se han observado diferentes grados de parentesco entre ellos y, como consecuencia, se han podido establecer relaciones de procedencia (líneas filogenéticas) entre diversas especies. Además, la presencia de determinadas sustancias (como el ADN, ATP, NADH+, etc.) en todos los organismos se propone como una prueba del origen común de todos los seres vivos.
HUMANO N E O D I C O A S Z E I C N I O R M P O H
TEORIA CELULAR En 1824, René Dutrochet fue el primero en establecer que la célula era la unidad básica de la estructura, es decir, que todos los organismos están formados por células. Para 1838 Mathias Schleiden , un botánico de origen alemán, llegaba a la conclusión de que todos los tejidos vegetales estaban formados por células. Al año siguiente, otro alemán, el zoólogo Theodor Schwann extendió las conclusiones de Schleiden hacia los animales y propuso una base celular para toda forma de vida. Finalmente, en 1858, Rudolf Virchow al hacer estudios sobre citogénesis de los procesos cancerosos llega a la siguiente conclusión: "las células surgen de células preexistentes“. La Teoría Celular , tal como se la considera hoy, puede resumirse en cuatro proposiciones: 1. En principio, todos los organismos están compuestos de células. 2. En las células tienen lugar las reacciones metabólicas de organismo. 3. Las células provienen tan solo de otras células preexistentes. 4. Las células contienen el material hereditario.
LA CELULA
Unidad mínima de un organismo capaz de actuar de manera autónoma. Todos los organismos vivos están formados por células, ningún organismo es un ser vivo si no consta al menos de una célula como mínimo. Los organismos pueden ser unicelulares (bacterias , protozoarios y levaduras) y otros pluricelulares (hongos, animales y plantas ) formados por muchos millones de células organizadas. La forma de la célula es variada y esta relacionada a la función que realizan en los diferentes tejidos.
TIPOS DE CELULAS: EUCARIOTICA
PROCARIOTICA
CELULA PROCARIOTICA
Son las células más simples que se conocen. No poseen un núcleo celular delimitado por una membrana, poseen el material genético disperso en toda su estructura en una región llamada nucleoide. No poseen un sistema de membranas internas separando a los organelos. Suelen ser mucho menores que las células eucarióticas (10 veces menor en promedio). La mayor parte de las células procarióticas poseen pared celular formada por un polímero de azucares llamado peptidoglucano que envuelve a la membrana plasmática y poseen flagelos para la locomoción. En este grupo se incluyen seres unicelulares o colonias como las bacterias.
CELULA PROCARIOTICA: BACTERIAS Diferencias de las membranas:
CELULA EUCARIOTA:
Mayor tamaño Núcleo verdadero con membrana Empaquetamiento del ADN con histonas Orgánulos membranosos Presencia del citoesqueleto División por mitosis Sexo y Meiosis Estas células forman parte de los tejidos de organismos multicelulares como hongos, protozoarios, plantas y animales
FUNCIÓN DE LAS ORGANELAS
MEMBRANA PLASMATICA
La membrana plasmática se encarga de:
Aislar selectivamente el contenido de la célula del ambiente externo Regular el intercambio de sustancias entre el interior y exterior celular (lo que entra y sale de la célula). Comunicación intercelular
OTRAS FUNCIONES DE LA MEMBRANA PLASMATICA
Proteger a la célula de sustancias nocivas que entran a esta.
Permitir la salida de sustancias producidas por la célula.
Servir de receptores que reconocen señales de determinadas moléculas y transmitir la señal al citoplasma. Proveer sitios de anclaje para los filamentos del citoesqueleto o los componentes de la matriz extracelular lo que permite, entre otras, el mantenimiento de la forma celular. Servir de sitio estable para la catálisis enzimática. Proveer de "puertas" que permitan el pasaje través de las membranas de diferentes células. Regular la fusión de la membrana con otra membrana por medio de uniones especializadas.
CITOESQUELETO Son un entramado de microtúbulos y filamentos proteicos. Entre sus funciones tenemos: Los Microtúbulos: Mantienen la forma de la célula, forman los Cilios y Flagelos y mueven las organelas dentro de la célula. Los Microfilamentos: Mantiene la forma de la célula y ayudan a que la célula cambie de forma. Los Filamentos intermedios: Mantienen forma de la célula, anclan el núcleo y ciertos organelos a un sitio en particular y forman la lámina nuclear que ayuda a mantener la forma del núcleo.
MICROTUBULOS : Dineína: Proteína motora Nexina: proteína elástica que pone limite al desplazamiento del cilio o Flagelo.
MICROFILAMENTOS:
TEJIDO
Se denomina tejido a la agrupación de células con una estructura determinada que realizan una función especializada, vital para el organismo. Los tejidos animales adquieren su forma inicial a partir del óvulo fecundado, por lo tanto casi todas ellas tienen la misma información genética. A medida que las células se van diferenciando, determinados grupos de células dan lugar a unidades más especializadas para formar órganos, los cuales se componen, de varios tejidos formados por células con la misma función.
TEJIDO Agrupación de células con una estructura determinada que realizan una función especializada y vital para el organismo. Diferenciación: Las células que forman los distintos tejidos de un organismo pluricelular suelen presentar diferencias muy notables en estructura y función.
NIVELES DE ORGANIZACIÓN
CLASIFICACION DE LOS SERES VIVOS
Hacia el 350 A.C., el filósofo griego Aristóteles hizo la separación entre reino vegetal y reino animal. Introdujo el término especie, “formas similares de vida”.
En la actualidad, el término especie se refiere a un grupo de organismos de una clase en particular, estrechamente relacionados, que pueden entrecruzarse y producir crías fértiles. Aristóteles dividió a los animales según su hábitat en: terrestres, marinos y aéreos.
