Abiogénesis

Abiogénesis

Proceso natural del surgimiento de la vida a partir de la no existencia de ésta.
Es decir: partiendo de materia inerte, como simples compuestos orgánicos.

Transporte y Metabolismo Celular

1. Introducción

Vivir, sea una célula o un ser humano, implica extraer energía de fuentes externas para mantener las actividades fisiológicas que definen la vida y que implican el mantenimiento de la estructura interna constante del organismo (homeostasis), desarrollo, crecimiento y reproducción.

Vivir supone utilizar energía pero, puesto que la energía ni se crea ni se destruye (1º ley de la termodinámica), en realidad implica la transformación de un tipo de energía en otro u otros.
La energía de mantenerla constante en contra de la tendencia natural de los sistemas, donde se da intercambio de energía a desordenarse y desorganizarse, es lo que se conoce como entropía (2º ley de la termodinámica).

Entropía: "Es una medida del desorden de un sistema: la entropía es positiva cuando aumenta el desorden y negativa cuando disminuye, como es el caso del interior de los seres vivos"



2. La Célula en su Ambiente: el Comercio Celular

2.1. Difusión y Ósmosis

La difusión consiste en que las moléculas que se disuelven en un líquido tienden a desplazarse de la zona de mayor concentración a la zona donde la presencia de esas moléculas es menor.

Difusión: "Movimiento neto de partículas de una disolución a favor de gradiente de concentración, desde las regiones de alta concentración a las regiones de baja concentración"

Por su parte, la tendencia natural del agua a desplazarse en un sentido, como ocurre en las disoluciones, se conoce como potencial hídrico.

La presión que ejerce el potencial hídrico sobre cualquier barrera que se oponga a su paso, recibe el nombre de presión hidrostática.

El movimiento en masa del agua (o de cualquier líquido) se llama corriente de flujo.

La funcionalidad de las células requiere el mantenimiento de un status o equilibrio ideal entre el exterior y el interior, equilibrio que no supone necesariamente una identidad de contenidos fuera y dentro de la célula.

Lo cierto es que cuando la disolución a uno de los lados de la membrana está más concentrada, el agua del otro lado tiende a equilibrarla, lo que conocemos como ósmosis, porque la membrana es permeable al agua, pero no a la mayoría de las moléculas disueltas en ella.

Ósmosis: "Movimiento pasivo de moléculas a través de una membrana semipermeable"

Si la concentración de solutos a ambos lados de la membrana es igual (disoluciones isotónicas), no habrá flujo neto de agua y la presión osmótica será nula.

2.2. El Transporte a Través de la Membrana Celular

Las células han de contar con vías de paso especiales proporcionadas por las denominadas proteínas membranales de transporte, de las que pueden distinguirse dos tipos esenciales:

a) proteínas transportadoras: ligan un determinado tipo de soluto en un lado de la membrana (dentro o fuera de la célula) y lo trasladan al otro lado;

b)proteínas formadoras de canales: se disponen en la membrana formando poros o túneles por donde pueden cruzar las sustancias hidrofílicas.

2.2.1. Proteínas Transportadoras

La obtención o expulsión de sustancias por parte de la célula se logra gracias a diferentes mecanismos: 

_cuando es a favor de gradiente se habla de difusión pasiva, difusión a través de canales proteínicos o proteínas transportadoras (difusión facilitada);

_cuando es en contra de gradiente recibe el nombre de transporte activo, que requiere el aporte de energía necesaria para provocar cambios conformacionales en la proteína transportadora de la membrana celular, para trasladar la molécula correspondiente en contra de gradiente químico, o eléctrico.

2.2.2. Canales Iónicos

Generalmente, los canales proteínicos de la membrana son estrechos y selectivos, siendo la mayoría canales iónicos.

Canal iónico: "Proteína insertada en la membrana celular que conforma un orificio o poro central que comunica el citoplasma con el exterior de la célula y que permite el paso de iones a su través, a favor de gradiente, debido a que su interior es hidrofílico. Los canales iónicos son en buena medida específicos para cada tipo de ion; pueden ser dependientes de voltaje (potencial eléctrico) o dependientes de ligando"

a) Canal iónico dependiente de voltaje: "Tipo de canal iónico, cuya apertura o cierre depende del potencial eléctrico o voltaje que presenta la membrana celular; como los canales de Na+   y de K+ dependientes de voltaje, que se abren en respuesta a despolarizaciones del potencial de membrana"

b) Canal iónico dependiente de ligando: "Canal iónico que se abre cuando los neurotransmisores se unen a sus proteínas receptoras"

Finalmente, hay otro tipo de canales iónicos, cuya apertura se produce directamente por fuerzas mecánicas (por eje. las células ciliadas del oído y del equilibrio).



3. Metabolismo Celular: Obtención y Utilización de Energía

La creación y mantenimiento del orden interno propio de los seres vivos es el resultado del metabolismo.

Metabolismo: "Conjunto de procesos que permiten la transformación química de sustancias dentro de los organismos"

El metabolismo celular es el resultado de dos tipos de procesos bioquímicos:

a) catabólicos: generan energía a través de la degradación de los nutrientes y su transformación en moléculas más sencillas.

Catabolismo: "Conjunto de reacciones químicas de degradación que se producen en una célula u organismo"

b) anabólicos o biosintéticos: hacen posible utilizar la energía obtenida para sintetizar las moléculas vitales para el orden y funcionamiento celular.

Anabolismo: "Conjunto de reacciones de biosíntesis que se producen en una célula u organismo"

3.1. El Proceso de Oxidación-Reducción

La mayor parte de la energía con que cuentan los seres vivos que pueblan la Tierra procede del Sol.

Esta energía solar es la que utilizan los organismos fotosintéticos (algas, plantas y bacterias fotosintéticas) para sintetizar azúcares a partir del agua (HO2) y dióxido de carbono (CO2).

La utilización de energía por parte de los seres vivos se conoce con el nombre de:

Respiración: "Técnicamente, la oxidación aeróbica de las moléculas de los alimentos"

Oxidación: "Cualquier reacción química en la que un átomo pierde un electrón"

El electrón pasa a otro átomo: el átomo que lo recibe queda reducido y a la recepción de un electrón se le denomina reducción.

Oxidación-reducción: "Secuencia coordinada de reacciones liberadoras y acumuladoras de energía; la oxidación supone la pérdida de un electrón o de un átomo de hidrógeno junto con la liberación de energía, mientras que la reducción supone la captación de esa energía"

3.2. Catalización Enzimática

Aunque la oxidación de la glucosa hasta transformarse en energía libre es energéticamente favorable, no es un fenómeno espontáneo, sino que requiere una cierta energía de activación que inicie el proceso.

En las células, esta energía de activación se genera con el choque de las moléculas entre sí, el cual libera más energía cuanto más alta sea la temperatura de disolución.

Las sustancias que favorecen esa interacción reciben el nombre de catalizadores.

Catalizador: "Sustancia que acelera las reacciones químicas sin sufrir modificaciones"

Entre los catalizadores más eficaces se encuentran las enzimas, que incrementan hasta 1014 la rapidez de la reacción química.

Las enzimas son proteínas especializadas, tienen una especial propensión a interactuar con su sustrato, moléculas que tienden a reaccionar o a sufrir cambios en su estructura química.

A veces, para que una enzima sea eficaz requiere la incorporación de algún elemento no proteínico conocido como cofactor.

3.3. La Glucolisis y la Respiración Celular: la Síntesis del ATP 

La glucosa, de la que todos los seres vivos obtienen la energía para vivir y reproducirse la obtienen de la dieta:

Paso 1.: En la dieta ingerimos proteínas, lípidos y polisacáridos que pueden reducirse mediante el proceso digestivo a sus elementos moleculares más sencillos.

Paso 2.: Estas moléculas penetran en el citoplasma celular, donde sufren nuevas modificaciones: los hidratos de carbono se convierten en piruvato, también llamado ácido pirúvico.

La respiración celular o metabolismo aerobio proporciona un rendimiento energético óptimo a partir de azúcares, ácidos grasos y aminoácidos procedentes de la degradación de las proteínas.
El catabolismo completo de los azúcares comienza en el citoplasma en forma de glucolisis, gracias a la cual se obtienen dos ATP, que es la principal molécula orgánica acumuladora de energía.

Paso 3.: Finalmente, el piruvato se transforma ya dentro de la mitocondria en un grupo acetilo que se une a la Coenzima A (CoA), al igual que les ocurre a los ácidos grasos, para formar la Acetil coenzima A (acetilCoA). Una vez constituida la acetilCoA, se inicia propiamente la:

Respiración celular: "Etapa del metabolismo celular que requiere oxígeno para degradar las moléculas que sirven de combustible y liberar la energía necesaria para la síntesis del ATP; tiene lugar en la mitocondria"

El proceso consta de dos fases:

a) Ciclo de Krebs (o ciclo del ácido cítrico):"Fase central del metabolismo oxidativo; serie de reacciones a través de las cuales se oxida el Acetil CoA a dióxido de carbono, lo que permite generar capacidad reductora en forma de NADH y FADH para impulsar la cadena transportadora de electrones"

b) Fosforilación oxidativa (o transporte de electrones): "Proceso de liberación de energía en forma de electrones que van recorriendo una serie de proteínas transportadoras de electrones, energía que se utiliza para bombear protones contra gradiente; al final, la energía acumulada se utiliza para unir un grupo fosfato al ADP (adenosindifosfato) para formar ATP (adenosintrifosfato)"

3.3.1. La Glucolisis

Tanto las células aeróbicas como las anaerobias son capaces de sintetizar en su citoplasma ATP a partir de la glucosa en ausencia de oxígeno. Este proceso se conoce como:

Glucolisis: "Transformación de un monosacárido, generalmente glucosa, en piruvato en el citosol; produce ATP, molécula que almacena energía disponible sin consumir oxígeno (transformación anaeróbica)"

En el proceso de la glucolisis entran:

1 molécula de glucosa + 2  ATP + 4 ADP +2 P +2 NAD+

y se obtienen:

2 moléculas de ácido pirúvico + 4 ATP +2 NADH +2 H+

Las reacciones anaeróbicas de acumulación de energía reciben el nombre de fermentaciones.

3.3.2. La Respiración  Celular: el Catabolismo Oxidativo en la Mitocondria

Gracias a la aparición de organismos fotosintéticos (cianobacterias) liberadores de oxígeno allá por el año 3400 millones antes de nuestra era, y al agotamiento de las reservas de Fe2+ con el que el oxígeno reaccionaba para formar óxido de hierro, lo que ocurrió hace apenas 1700 millones de años, la atmósfera empezó a acumular tan preciado gas.

Fue entonces cuando pudieron evolucionar los organismos aerobios capaces de servirse del oxígeno atmosférico para respirar o, lo que es lo mismo, obtener energía gracias a la capacidad oxidativa del oxígeno; es lo que se conoce como catabolismo oxidativo.

La respiración celular de los organismos pluricelulares se lleva a cabo en el interior de la mitocondria en las dos fases citadas: ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa, procesos ambos que también tienen lugar en el interior de las bacterias aerobias.

3.3.2.1. El Ciclo de Krebs

El total de moléculas de NADH y FADH obtenidas tanto en la glucolisis como en el ciclo de Krebs se oxidan (pierden electrones) y la energía liberada en esa oxidación (obtenida mediante un sistema de transporte de electrones por la acción de varias enzimas de la membrana mitocondrial interna) está acoplada a un sistema de bombeo de protones que se acumulan en el espacio inter-membranal de la mitocondria

3.3.2.2. El Transporte de Electrones y la Fosforilación Oxidativa   

La gran acumulación de protones en el espacio inter-membranal genera un fuerte potencial electroquímico, cuya energía es canalizada y utilizada por la enzima de la membrana interna ATP sintetasa, para formar ATP a partir de ADP y pirofosfato (Pi).

Abiogénesis

En relación a la hipótesis de la Abiogénesis, y de lo extremadamente complejo que parece ser la creación de una célula viva a partir de materia inerte, es decir a partir de la no existencia de vida:

¿Cómo explica la Abiogénesis el surgimiento de la vida partiendo de "materia inerte" (sin vida)?

Las formas de vida más antiguas sobre la faz de la Tierra son posibles microorganismos, cuyos fósiles fueron encontrados en rocas formadas en antiguas fuentes hidrotermales, que podrían haber vivido hace 4.280 millones de años, poco después de que se formaran los océanos hace 4.410 millones de años, y no mucho después de la formación de la Tierra hace 4.540 millones de años.

Existen una serie de observaciones que intentan describir las condiciones fisicoquímicas, en las cuales pudo emerger la vida, pero todavía no se tiene un cuadro razonablemente completo dentro del estudio de la evolución de la complejidad biológica, acerca de cómo pudo ser ese origen.

Se han propuesto varias teorías, siendo la Hipótesis del mundo ARN y la Teoría de hierro-azufre las más aceptadas por la comunidad científica.

La expresión "Mundo de ARN" fue empleada por primera vez en 1986 por el premio nobel Walter Gilbert: propone que la vida en la Tierra surgió a partir de la versátil actividad de las moléculas de ARN, las cuales posteriormente originarían moléculas capaces de sintetizar proteínas y las moléculas de ADN. 

La hipótesis aún presenta dificultades, pues las moléculas de ARN son difíciles de sintetizar.

La Teoría del Mundo de hierro-azufre, enunciada entre 1988 y 1992 por Günter Wächtershäuser propone que una modalidad primitiva de metabolismo precedió a la genética. 

Idea clave de la teoría: la química primitiva de la vida no ocurrió en una disolución en masa en los océanos, sino en la superficie de minerales (por eje. pirita) próximos a fuentes hidrotermales.

Se trataba de un ambiente anaeróbico y de altas presiones y temperaturas: 100 grados C.

  

Críticas al Experimento Miller-Urey

Estramolitos del Precámbrico en la Formación de Siyeh
(Parque Nacional de los Glaciares, Estados Unidos)

En 2002, William Schopf de la UCLA (Universidad de California,
 Los Ángeles) publicó un artículo en la revista Nature defendiendo 
que estas formaciones geológicas de hace 3500  millones de años
 son fósiles debidos a cianobacterias, constituyendo 
una evidencia de vida muy antigua.

En 1953, Stanley Miller (1930-2007) y Harold Urey (1893-1981) probaron la hipótesis de Aleksandr Oparin (1894-1980) realizando un experimento que procuró simular las condiciones atmosféricas de la Tierra primitiva. 

Cuando examinaron la sustancia, encontraron una colección de aminoácidos, los componentes de la vida.

Se han planteado algunas críticas en relación al experimento: 

_El oxígeno estaba evidentemente presente en la Tierra primitiva, pero la presencia de oxígeno prohíbe el desarrollo de compuestos orgánicos.

_Si los gases que los científicos creen ahora que estuvieron presentes en la Tierra primitiva fueron utilizados en la proporción correcta, ninguno de estos aminoácidos sería producido.

_Suponiendo que se descubriera un caldo primigenio que poseyera una capacidad mística para formar proteínas: para formar una célula viva se requiere de cientos de proteínas especializadas que necesitan ser coordinadas de manera precisa.

_También se necesitaría producir ADN y ARN, una membrana de célula y una cantidad de otros compuestos químicos, y colocarlos en sus lugares correctos para que realizaran sus respectivas funciones.

_Claramente, para conseguir una célula viva del experimento Miller-Urey, se requeriría que improbabilidades se amontonaran sobre improbabilidades.

_¿Cómo se podría juntar en un volumen diminuto y sub-microscópico del océano primitivo todos los cientos de diferentes componentes moleculares que se necesitarían para establecer un ciclo de auto-réplica?

Dean H. Kenyon, profesor emérito de la Universidad Estatal de San Francisco

    

Animación de una estructura de ADN de doble hélice