Biologia Cel·lular: Evolució Prebiòtica (PDF)

TEMA 2. EVOLUCIÓ PREBIÒTICA Evolució prebiòtica: evolució abans de la vida, fins arribar a la primera cèl·lula/vida. 2.1 HISTÒRIA DE LA TEORIA CEL·LULAR S. XVII: Leeuwenhoek i Hooke: microscopis i primeres observacions de cèl·lules. Leeuwenhoek, 1675, observació protistes (parameci). Hooke va intro...

TEMA 2. EVOLUCIÓ PREBIÒTICA Evolució prebiòtica: evolució abans de la vida, fins arribar a la primera cèl·lula/vida. 2.1 HISTÒRIA DE LA TEORIA CEL·LULAR S. XVII: Leeuwenhoek i Hooke: microscopis i primeres observacions de cèl·lules. Leeuwenhoek, 1675, observació protistes (parameci). Hooke va introduir el concepte de cèl·lula (1665). Va néixer la microbiologia. s. XIX: Schleiden i Schwann, 1830, Teoria cel·lular moderna: “tots els éssers vius estan formats per cèl·lules” “La cèl·lula és la unitat funcional bàsica de la vida”. Rimeric i Virchow, 1852, Teoria cel·lular moderna: “Totes les cèl·lules provenen d’altres cèl·lules, per divisió d’aquestes”. 2.2 EVOLUCIÓ PREBIÒTICA: ANTECEDENTS HISTÒRICS Fins el segle XVII hi havia una acceptació general de les teories creacionistes. Creien que els éssers vius van ser creats en un moment determinat per un ésser superior diví, però encara es poden anar creant a partir de la matèria inanimada per la intervenció d’aquest ésser superior (generació espontània). Biblia: L’ésser humà sorgeix a partir del fang (terra i aigua). Aristòtil (s. IV a.d.C.): Els animals poden originar-se a partir del sòl. Lamarck, 1801, va fer la primera teoria de l’evolució. “Totes les espècies actuals, inclosa la humana provenen d’altres menys evolucionades”; “hi ha una herència de caràcters adquirits”; “adaptació per necessitat”; “la funció la fa l’òrgan”; “variacions per necessitat”. Va introduir el terme “biologia” (1802) com a ciència que estudia els éssers vius. Darwin 1859, Beagle, “L’origen de les espècies”. La variabilitat és el motor de l’evolució i el medi és l’encarregat de seleccionar els individus millor adaptats”. Selecció natural. L’any 1862 el concepte de generació espontània queda totalment descartat perls experiments de Louis Pasteur. Experiment coll curvat, no es contaminava. Així doncs, si amb el coll tallat es contaminava és senyal que la contaminació era deguda a l’entrada de microorganismes de l’exterior. Però no de l’aire, car amb el coll curvat entrava aire, però no bacteris. 11 2.3 TEORIA MODERNA DE L’ORIGEN DE LA VIDA Teoria creacionista vs teoria materialista (els éssers vius apareixen a partir de la síntesi abiòtica de molècules orgàniques a partir de molècules inorgàniques existents a la terra primitiva). 2.4 TEORIA D’OPARIN L’any 1922, el cinetífic rus A. Oparin va postular que la vida havia aparegut com a conseqüència d’un procés d’evolució química anoment l’evolució prebiòtica (de matèria inorgànica a matèria orgànica). CH4, NH3, CO2, H2O: sopa primordial. 2.5 LA TERRA PRIMITIVA Fa 4500 milions d’anys es forma la Terra (volcànica i primitiva) a partir de la condensació de núvols de gasos estel·lars. Entre els 3.800 i 4.000 milions d’anys, es va crear l’atmosfera primitiva en una Terra refredada i és una massa coberta d’aigua i envoltada d’una atmosfera que probablement contenia: CH4, H2, N2, SH2, NH3, CO2 i H2O en forma de vapor. 12 2.6 PER A L’EVOLUCIÓ QUÍMICA DE LA VIDA A LA TERRA PRIMITIVA ES NECESSITAVEN 4 REQUERIMENTS: 1. Absència total d’oxigen lliure. O2 és molt reactiu, hagués oxidat molècules orgàniques que són essencials per la vida. 2. Una font d’energia. La terra primitiva era un lloc caracteritzat per la presència de volcanisme generalitzat, tempestes elèctriquies, meteorits, intensa radiació, especialment ultraviolada. 3. Substàncies químiques que funcionessim com “blocs de construcció químics”: aigua, minerals inorgànics i gasos. 4. Temps: : l’edat de la terra es calcula en 4500 milions d’anys i els vestigis de vida més antics daten de 3.800 milions d’anys de manera que la "vida" va trigar uns 700 milions d’anys en formar-se. 2.7 MOLÈCULES OBTINGUDES EN ELS PRIMERS EXPERIMENTS DE MILLER Fins a finals del s XVIII es pensava que els compostos orgànics només podien formar-se per acció dels éssers vius, la síntesi en el laboratori de la urea va acabar amb aquesta creença (la síntesi abiòtica, formar molècules sense cap cèl·lula). El 1950, Stanley Miller, sent estudiant de doctorat, va dissenyar un experiment destinat a corroborar la hipòtesi d’Oparin, que considerava com condicions de partida la presència en l’atmosfera primitiva dels següents gasos: CH4, NH3, H2O, H2. A partir de compostos inorgànics (+ les condicions de la Terra primitiva) es va generar matèria orgànica. Molècules obtingudes en els experiments de Miller: 13 2.8 HIPÒTESI PREBIÒTICA DE L’ORIGEN DE LA VIDA Síntesi de compostos orgànics a partir de matèria inorgànica (CH4, NH3, H2) presents a l’atmosfera primitiva. Polimerització: El pas següent va ser la formació de macromolècules per polimerització de les petites. La interacció entre les molècules així generades es va incrementar a mesura que la seva concentració augmentava. Aquesta acumulació és la “sopa de cultiu primitiu”. A partir d’aquesta podria haver sorgit la primera forma de vida. Seguint la hipòtesi del brou primordial d’Oparin, les molècules senzilles es van polimeritzar (polimerització), formant així macromolècules les quals interaccionaven entre elles formant compostos més complexos (brou de cultiu primitiu) i, possiblement, la vida. 2.9 REQUERIMENTS PER A CONSTRUIR UN SISTEMA BIOLÒGIC Per poder construir un sistema biològic independent, aquest ha de tenir les següents propietats: 1. Un material de partida informatiu, capaç d’autoreplicar-se que permeti construir-se i transmetre la informació a la generació següent. 2. Un cert nivell de metabolisme que permeti captar matèria i energia del medi per al seu manteniment i per a la transmissió de vida. 3. Possibilitat de mutacions o canvis que permeti al sistema progressar cap a la complexitat (evolucionar). Expressió de la informació genètica en les cèl·lules actuals: 14 2.10 EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGIA CEL·LULAR 2.11 L’AUTOREPLICACIÓ MOLECULAR. EL MÓN DEL RNA EL RNA era capaç d’emmagatzemar la informació genètica i catalitzar les reaccions químiques en les cèl·lules primitives. Posteriorment, el DNA es va convertir en el material genètic i les proteïnes en els principals components catalítics i estructurals de les cèl·lules. 2.12 EL RNA POT ACTUAR COM CATALITZADOR (RIBOZIMA) El RNA pot actuar com a catalitzador (Ribozima: RNA amb capacitat catalítica) S’han identificact ribozimes amb activitats catalítiques molt diferents, inclosa la polimerització del RNA. 15 2.13 AUTOREPLICACIÓ DEL RNA Els ribozimes també eren capaços d’autoreplicar-se. En un procés de catàlisi, una molècula inicial és capaç de formar còpies de la mateixa. Alguns ribozimes podrien catalitzar la seva pròpia replicació, però també la d’altres RNA. Els RNA són molt làbils estructuralment, però menys estables que el DNA. L’estructura tridimensional pot fer que esdevingui més estable. Dels RNAs amb activitat replicativa, s’haurien anat seleccionant aquells més estables. L’estabilitat dependrà de la seva estructura tridimensional. 2.14 APARICIÓ DE LES PRIMERES CÈL·LULES S’explica la formació dels compartiments a partir de molècules amfipàtiques. Els àcids grassos poden formar micel·les, disposant els grups hidrofòbics orientats cap a l’interior, o bicapes, com les membranes cel·lulars. Així doncs, els lípids van acabar formant membranes, fins a formar vesícules envoltades d’una bicapa lipídica amb molècules amb capacitat autoreplicativa (RNA). Aquestes constituiren les primeres cèl·lules. 16 A partir d’aquí va aparèixer el codi genètic i, més tard, el DNA (molt més estable, no tan sotmès a mutacions...). RESUM DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGIA MOLECULAR Les DNA polimerases són els enzims que permeten la replicació de DNA. Les RNA polimerases són els enzims que permeten la transcripció de DNA a RNA. Les RNA polimerases dependents de RNA són els enzims virals que permeten la replicació de RNA. Primerament i abans del DNA, va aparèixer el RNA (món del RNA), el qual era capaç d'emmagatzemar la informació genètica i catalitzar les reaccions químiques de les cèl·lules primitives. Poc a poc, el DNA es va convertir en el material genètic de les cèl·lules més evolucionades i les proteïnes en els principals components catalítics i estructurals de les cèl·lules. Poc a poc, els RNA amb capacitat replicativa van esdevenir cada vegada més estables (estructura tridimensional més estable) per selecció natural. A més, el RNA també pot actuar com un enzim (ribozimes) i catalitzar processos essencials com la seva pròpia polimerització (autoreplicació) o fins i tot la polimerització d'altres RNA. Després, van aparèixer els fosfolípids, que formaven compartiments (micel·les, monocapes lipídiques i bicapes lipídiques) gràcies a les seves propietats amfipàtiques. Finalment, gràcies a les bicapes lipídiques i a les molècules amb capacitat autoreplicativa (RNA) a dins seu, va nàixer la primera cèl·lula (primitiva amb RNA com informació genètica). Per tant, inicialment hi havia els sistemes basats exclusivament en RNA (tenien les funcions genètiques, estructurals i catalítiques). Les cèl·lules van evolucionant (els RNA van començar a sintetitzar proteïnes) fins 17 arribar a les cèl·lules d'avui dia: amb DNA com a repositori d'informació genètica, proteïnes com a biocatalitzadors i RNA com a pont d'unió entre els dos (a més de ser catalític de diverses reaccions crucials). RECORDATORIS: Història de la teoria cel·lular: 1. Observació d'una cèl·lula (Robert Hooke, 1665) 2. Observació de protists; parameci (Antoine van Leeuwenhoek, 1675) 3. Teoria cel·lular moderna 1 (Matthias Schleiden i Theodor Schwann, 1830): Tots els éssers vius estan formats per cèl·lules, les cèl·lules són la unitat funcional bàsica de la vida. 4. Teoria cel·lular moderna 2 (Robert Rimerk i Rudolph Virchow, 1852), en què s’afirmava que totes les cèl·lules provenen d'altres cèl·lules per divisió d'aquestes (no generació espontània). 5. Rebuig total a la generació espontània (Louis Pasteur, 1862). Pasteur va realitzar experiments escalfar un brou i impedir-ne l'entrada de microorganismes (coll corbat). 6. Teoria prebiòtica, brou primordial (Aleksandr Oparin, 1924): La vida va aparèixer com a conseqüència d'un procés d'evolució química en l'atmosfera primitiva. 7. El 1950, Stanley Miller va dissenyar un experiment destinat a corroborar la hipòtesi d'Aleksandr Oparin. Miller va simular les condicions atmosfèriques i energètiques de la Terra primitiva i va aconseguir crear-hi vida (aminoàcids) només a partir de molècules inorgàniques (principalment metà, sulfats, amoníac, nitrogen, hidrogen i vapor d'aigua). 8. Pocs anys més tard (1961), Joan Oró segueix la línia de Stanley Miller i aconsegueix sintetitzar l'aminoàcid adenina simulant la atmosfera primitiva. Teories de l'evolució científiques (materialistes): • Lamarckisme (primera teoria de l'evolució introductora del terme biologia; Jean-Baptiste Lamarck, 1801). Herència dels caràcters adquirits, adaptació per necessitat (la funció fa l'òrgan), la complexitat de les espècies sempre va en augment. • Darwinisme (Charles Darwin, 1859). Variabilitat genètica de les espècies, selecció natural (el medi selecciona els individus millor adaptats). Requeriments per l'evolució química de la vida a la Terra primitiva: • Absència total d'oxigen lliure: Com que l'O2 és molt reactiu, la seva presencia hagués oxidat les molècules orgàniques essencials per a la vida. • Font d'energia: Va ser necessari una potent font d'energia (volcanisme, tempestes elèctriques, bombardeig de meteorits, radiació intensa...) perquè sorgís vida. • Substàncies inorgàniques bàsiques (aigua, minerals, gasos...). • Temps (la vida va trigar uns molts milions d'anys en formar-se). A finals del segle XVIII, es va veure que es poden crear compostos orgànics al laboratori (síntesi de la urea). Per construir un sistema biològic independent, aquest ha de tenir les següents propietats: • Material que emmagatzemi informació (material genètic) capaç d'autoreplicar-se, construir-se i transmetre la informació a la generació següent. • Cert nivell de metabolisme que permeti captar i processar matèria i energia del medi per al manteniment propi. • Possibilitat de mutacions/canvis a fi de progressar i evolucionar cap a la complexitat. 18