el origen de la vida

CIENCIA-CULTURA
EVOLUCIÓN DE LAS BIOMOLECULAS
EL ORIGEN
DE LA VIDA
J. RAFAEL VICUÑA E.
¿Cómo se fueron organizando
las moléculas hasta formar los primeros seres vivos? Este proceso
evolutivo, que terminó con la formación de las primeras células y
antecede a la evolución de las
especies, es analizado por el Profesor Vicuña, Bioquímico, Ph. D.,
de a Universidad Católica. El texto
es una adaptación de su exposición
en las Jornadas de Análisis sobre
"El Origen de la Vida", organizadas
por la Federación de Estudiantes de
la Universidad Católica, en julio del
presente año.
El tema del origen de la vida se
inscribe entre los capítulos más
trascendentes y significativos del
interés humano. Su consideración
—empero— no escapa a una cierta
complejidad.
Esto sucede por varios motivos.
En primer término, no ha sido
posible aún definir apropiadamente lo que es la vida. Solamente han
podido distinguirse las propiedades que tiene un organismo o
microorganismo que vive: este se
reproduce, intercambia material y
energía con el medio ambiente y
está compuesto por biomoléculas
características que muestran una
alta capacidad de auto-organización y auto-regulación.
En segundo lugar, es una terea
difícil porque todo parece indicar
que la vida surgió luego de un proceso evolutivo, a partir de materia
inerte, que tornó millones de años
en concretarse. La dificultad en
este caso es doble: pues parece
tarea imposible determinar en qué
momento una agrupación de moléculas comienza a tener vida y verificar el fenómeno evolutivo experimentalmente en ún laboratorio.
Por último, la complejidad del
origen de la vida se debe a que este es por esencia un tema multi-
discíplinario. Involucra al mismo
tiempo aspectos físicos, teológicos, filosóficos y bioquímicos.
Lo que estas líneas pretenden
mostrar es el camino que probablemente siguieron las moléculas
durante su evolución primitiva
hasta formar los primeros seres
vivos. Este proceso evolutivo, que
terminó con la formación de
células sencillas, antecede en el
tiempo al que vino después y que
dura hasta hoy, es decir, a la
evolución Darwiniana que dio origen a las diversas especies de animales y vegetales.
A manera de introducción, parece útil recordar cómo son las
moléculas que caracterizan a la
materia viva. Ellas se pueden dividir en cuatro grandes grupos
(Figura 1). El primer grupo de
biomoléculas está formado por
los hidratos de carbono o azúcares, tales como la glucosa, fructosa, ribosa. Varias moléculas de
azúcar pueden a su vez unirse entre ellas para formar polisacáridos
como almidón o glucógeno. Otro
gran grupo de biomoléculas lo
componen los ¡ipidos o grasas. La
Figura 1 muestra una molécula de
glicerol esterificada a tres ácidos
grasos, lo que constituye un triglicérido. Otro lípido muy conocido
es el colesterol, de cuya estructura derivan compuestos tales como
las sales biliares y algunas hormonas esferoidales. Un tercer grupo
de biomoléculas está formado por
los aminoácidos. Como lo dice su
nombre, todos ellos contienen un
grupo carboxilo unido a un carbono que a su vez está unido a un
grupo amino, siendo el resto de ta
molécula variable. Los aminoácidos dan origen a compuestos
importantes como ciertas hormonas y neurotransmisores. La unión
covalente, en la que se comparten
electrones, a través de enlaces
peptídicos1 de combinaciones de
los 20 aminoácidos comunes da
origen a las proteínas. Estos polímeros cumplen variados roles,
siendo los principales el estructural y la catálisis de todas las reacciones bioquímicas que ocurren
en la célula. Los catalizadores
proteicos, llamados también enzimas, son esenciales para la materia
viva, ya que debido a su alta eficiencia y especifidad facilitan
reacciones que ocurrirían muy
lentamente en su ausencia. El
cuarto grupo de biomoléculas lo
forman los nucleótidos, que a su
vez consisten en la unión del
azúcar ribosa a un grupo fosfato y
a una base nitrogenada. El núcleotido más ubicuo en la naturaleza
por sus muy diversas funciones es
sin duda el adenosintrifosfato o
ATP. Mediante la unión covalente
de los nucleótidos se sintetizan los
ácidos nucleicos, es decir, el DNA
y RNA. Son estas macromoléculas
las portadoras del mensaje genético que determina las propiedades
de cada individuo, las que son
transmitidas posteriormente de
generación en generación.
Todas estas biomoléculas se relacionan entre sí a través de complicadas rutas metabólicas. Así, al
ciclo de Krebs van a dar los productos de degradación de azúcares
y lípidos, a la vez que los esqueletos hidrocarbonados de los aminoácidos. Otros procesos celulares
de fundamental importancia bioquímica son la fotosíntesis, la respiración celular, la fijación de
nitrógeno atmosférico, la fermentación, etc.
Las preguntas que surgen al
analizar el origen de la vida son
varias. ¿Cómo se formaron estas
biomoléculas? ¿Cómo comenzaron a interactuar entre ellas? ¿De
qué manera nacieron las primeras
células? ¿Cómo evolucionaron
ellas hasta lo que son hoy día?
Hasta hace tres siglos se pensaba que la vida surgía a partir de la
materia inerte en forma espontánea' los gusanos del barro o de la
i Enlace peptídlco: enlace que une a'
dos aminoácidos {—CO—NH—).
MENSAJE NO 295, DICIEMBRE 1980
729
CIENCIA-CULTURA
AZUCARES
oi-D-Glucosa
C Kz - C H —
I
I
0
0
1
I
«•D-Fructosa
CH,
I 2
0
I
o=c o=c o=c
LPIDOS
(C
^ (C
? k (CH^
CH3
CHj C
Colesteroi
TriacilgliceroL
CH,
3
\
H
H
I
\-CH,-C-COCr
2
I
AMINOACIOOS
CH-C-COO"
CH3
NH,
Fenilalanina
Val ¡na
NUCLEOTIDOS
Adenosin monofosfato
Citidin monofosfato
Figurai; GRUPOS DE BIOMOLECULAS.
carne podrida, los ratones de la
basura, etc. Esta ¡dea que fue
aceptada por grandes filósofos y
científicos, entre ellos Aristóteles
Y N e w t o n , fue progresivamente
dejada de lado debido a las evidencias aportadas por la investigación.
En el siglo X V I I el italiano Francesco Redi demostró que si cubría
la carne con una pantalla, ésta
nunca producía gusanos. Poster i o r m e n t e , Lázaro Spaltanzani vio
que un caldo n u t r i t i v o que era
hervido no desarrollaba microorganismos y por lo t a n t o no se
pudría. Sin embargo, la hipótesis
de la generación espontánea no
era fácil de desarraigar, siendo
finalmente Luis Pasteur, en 1 8 6 0 ,
quien con rigurosos experimentos
730
demostró que al menos en las c o n diciones actuales, los organismos
no surgen espontáneamente.
La síntesis de los monómeros
Hoy día, que comprendemos al
menos en parte la gran complejidad de la materia viva, fa idea de
la generación espontánea parece
altamente improbable, por no decir absurda, aun en condiciones
diversas a las que conocemos. Por
el contrario, evidencia obtenida
empíricamente en los últimos
años, permite suponer que es muy
posible que la vida haya surgido
mediante un proceso evolutivo
gradual que comprendió cientos
de millones de años.
Para situarnos en la escala de
tiempo apropiada, revisemos la
historia de la tierra. Esta se formó
por condensación de nubes y gases
y polvo hace unos 4.600 millones
de años. Los datos que se tienen
sobre la materia orgánica más
primitiva provienen de la observación al microscopio electrónico de
microfósiles encontrados en Australia y Sudáfrica. Estos revelan la
presencia de estructuras muy parecidas a las células contemporáneas,
cuyo análisis isotópico Íes asigna
una antigüedad de aproximadamente 3.500 millones de años.
Posteriormente, hace unos 3.000
millones de años, surgieron los primeros microorganismos fotosintéticos. Las células primivas fueron
progresivamente complicándose y
asociándose hasta' la llegada del
paleozoico, hace unos 500 millones de años. Durante este período aparecieron los peces y plantas
terrestres. Los pájaros y mamíferos lo hicieron en el período
siguiente o mesozoico, hace-200
millones de años. Mucho más
tarde, dos millones de años atrás,
aparece el homo sapiens, lapso
que en la historia de la tierra es
comparable a los últimos 30
segundos de un día de 24 horas.
Interesa entonces que nos concentremos en la etapa temprana
de la tierra, hace 4.000 millones
de años, cuando la temperatura en
su superficie alcanzó valores compatibles con la estabilidad de las
biomoléculas. Aunque no existe
unanimidad entre los científicos,
la gran mayoría de ellos concuerda en que la atmósfera primitiva
era altamente reductora, rica en
hidrógeno, metano, amoníaco y
vapor de agua y carente absolutamente de oxígeno.
En la década det 20, el ruso
Oparin y el inglés Haldane plantearon la hipótesis de que ¡os primeros compuestos orgánicos se
formaron por reacciones entre
moléculas inorgánicas activadas
por la energía ultravioleta del sol,
por el calor, por las descargas eléctricas, etc. Luego de una progresiva acumulación de estas biomoléculas en los océanos, éstas se
habrían condensado abióticamen-
MENSAJE Nl°295, DICIEMBRE 1980
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te para dar origen a macromoléculas tales como proteínas y polinucleótidos. De esta "sopa" primitiva habrían surgido posteriormente
los primeros microorganismos vivos. De acuerdo a estos científicos,
la ausencia de oxígeno,destructor
por excelencia de compuestos orgánicos, permitió una concentración creciente de las biomolécuias
en los océanos.
formar ácido cianhídrico. Este
ácido reacciona posteriormente
con hidrocarburos para dar nitrilos, los que al combinarse con
amoníaco y ser luego hidrolizados, se transforman en aminoácidos.
No sólo estos compuestos sino
que las bases nitrogenadas y diversos azúcares han sido sintetizados
repitiendo los experimentos dise
"¿Habrá surgido la vida en un punto geográfico preciso del planeta
o en varios lugares ai mismo tiempo?"
Pasaron 30 años antes que
Urey y Miller, de la Universidad
de Chicago, pudieran dar base
experimental a esta hipótesis. La
Figura 2 muestra el aparato que
ellos diseñaron para tal efecto.
Este contiene una cámara donde
se aplica una chispa eléctrica y
donde es introducida una mezcla
gaseosa de agua, amoníaco, metano G hidrógeno a 80°C. El aparato
posee además un condensador de
ios productos gaseosos y un dispositivo inferior que contiene agua
líquida caliente, la que permite
reciclar los gases. Luego de someter los gases al efecto de la chispa,
Urey y Miller analizaron el contenido de este sistema. La fase
gaseosa reveló la presencia de
monóxido de carbono, anhídrido
carbónico y nitrógeno, ninguno
presente antes de que se efectuara
el experimento. A su vez la fase
condensada contenía, entre otros,
compuestos biológicos tales como
los aminoácidos: glicina, alanina,
ácidos aspártico y glutámico, los
ácidos succínico, acético y láctico,
urea, sarcosina, etc. Conviene
apuntar también que estos investigadores obtuvieron como productos algunos aminoácidos que no
se encuentran hoy en la célula de
ningún organismo, lo que probablemente de haberse formado en
el primoevo, han sido deshechados por una evolución selectiva.
Miller propuso incluso un esquema de reacciones químicas mediante el cual era explicable la
formación de los aminoácidos. La
secuencia parte con la combinación de metano y amonio para
MENSAJE N° 295, DICIEMBRE 1980
nados por Urey y Miller. Cuando
éstos fueron llevados a cabo en
presencia de oxígeno, los resultados fueron negativos, lo que terminó por confirmar la validez de
la hipótesis propuesta por Oparin
y Haldane.
La síntesis de los polímeros
La etapa siguiente dirigida a la
aparición de la vida en el planeta,
la cual debe haber comenzado
antes de la culminación de la
primera, tiene que haber consistido en la interacción entre los
monómeros para formar macro-r
moléculas o polímeros. En est*;
punto, sin embargo, encontramos
una paradoja. La sociación covalente entre las moléculas de azúcar,
aminoácidos, glicerol con ácidos
grasos y nucleótidos, ocurre con
pérdida de una molécula de agua
ELECTRODOS
•MEZCLA DE
NH 3 .CH ¿ .H 2 .y
H,0 a80*C.
i—
E
• CONDENSADOR
AGUA
Figura 2 : Aparato que usaron Miller y Urey
para demostrar formación abiótica
de biomolécuias.
731
CIENCIA-CULTURA
por cada enlace formado. Esta
reacción se encuentra muy desfavorecida en soluciones acuosas
diluidas, como deben haber sido
las primitivas.
El estudio da este problema ha
sido llevado a cabo por Milier y
Orgel, y también por Sidney Fox,
de la Universidad de Miami. Ellos
han descrito algunos mecanismos
que pueden haber facilitado la
polimerización de las moléculas
prebióticas.
El primero de ellos consiste en
el congelamiento parcial de las
aguas. Al formarse el cristal de
hielo, las moléculas de agua excluyen de éste a los solutos2, produciéndose una concentración localizada de ellos con el consiguiente
aumento de sus posibilidades de
interacción. Una segunda vía de
condensación puede haber derivado de la adsorción o unión selec
tiva que algunos compuestos
experimentan en la superficie de
arcillas y minerales de apatita, las
que sirven de sustrato para la síntesis de productos de condensación. Un tercer mecanismo involucra la participación de agentes
químicos de condensación. Los
mas importantes son algunos
compuestos derivados del ácido
cianhídrico y los pol¡fosfatos.
Estos últimos deben haber existido con cierta abundancia en la
"sopa" de Oparin, ya que se forman fácilmente al calentar fosfato
en presencia de urea y amoníaco.
Ponnamperuma y colaboradores
han demostrado la polimerización
de aminoácidos, nucleótidos y
azúcares en presencia de pol ¡fosfatos y luz ultravioleta. El cuarto
procedimiento de deshidratación,
que conduce a reacciones de condensación molecular, ha sido explorado por Sidney Fox y consiste
en llevar a cabo estas reacciones a
altas temperaturas. Efectivamente,
este investigador ha comprobado
que a temperaturas cercanas a los
150°C, una mezcla de aminoácidos forma lo que él ha llamado
proteinoides. Estas son macromosolución está constituida por un
"solvente" que corresponde a la fase
dispersante y por un "soluto" disuelto
en el primero.
732
léculas compuestas por hasta 200
monómeros que se comportan
físico-químicamente como proteínas, exhibiendo incluso algunos de
ellos actividad catalítica. La formación de proteinoides enzimaticos produjo un cambio funda
mental en la velocidad de reacción
entre las biomoléculas, con la
consiguiente aceleración del proceso evolutivo.
Es probable que los cuatro
mecanismos de polimerización
hayan funcionado en forma simultánea por separado o bien en
combinación. Así por ejemplo,
Sidney Fox ha visto que para formar un proteinoide en presencia
de pol ¡fosfatos, basta con calentar
hasta 50°C. Parece necesario
insistir en el rol que pueden haber
tenido los polifosfatos en este tipo
de reacciones. La condensación de
lípidos, azúcares, aminoácidos y
nucleótidos, se hace hoy día
utilizando en último término el
grupo pirofosfato del ATP, el cual
puede haber derivado estructuralmente de los polifosfatos.
Aparición de las primeras
células
Hemos visto hasta el momento
el origen de las biomoléculas, su
acumulación en los océanos y su
polimerización, etapas que abarcaron el primer cuarto de la historia
terrestre. Estamos lejos, sin embargo, de poder decir que esto
signifique la aparición de un ser
vivo en el planeta, ya que para
hablar de vida se requiere al
menos de un sistema pseudo organizado y con cierta capacidad de
subsistencia.
Según Oparin, las primeras de
estas estructuras, que él ha llamado protobiontes, se habrían formado como consecuencia del proceso de coacervación. Este es un
fenómeno físico-químico que ocurre a menudo en soluciones
acuosas de polímeros y consiste
en la agrupación de estas macromoléculas en agregados microscópicos. Oparin le ha dado base
empírica a su teoría, demostrando
que en ciertas condiciones, solu-
ciones de polisacáridos, proteínas
y ácidos nucleicos pueden ser
inducidos a formar coacervados.
Más aun, cuando en el medio se
encuentra presente alguna enzima,
ésta es incorporada al coacervado
manteniendo ésta su actividad
catalítica.
La limitación del modelo de los
protobiontes es obvia: Oparin ha
realizado sus experimentos utilizando macromo léculas modernas,
fabricadas biológicamente, las cuales difieren estructuralmente de
las que se encontraban presentes
en el caldo primordial.
Mejor parece el modelo desarrollado por Fox. E< ha descubierto que cuando soluciones de
proteinoides expuestos a altas
temperaturas se dejan enfriar lentamente en ciertas condiciones de
pH 3 y concentración salina, se
forman unas microesferas que tienen un diámetro aproximado de 2
micrones4. Estas microesferas tte
nen un parecido admirable a las
células: su límite exterior es
semejante a la membrana celular y
aunque no contienen lípidos
como las membranas naturales, las
microesferas orientan las cadenas
no polares de los aminoácidos de
una manera tal que semeja una
barrera lipídica. Las microesferas
también se dividen en presencia de
cloruro de magnesio, se encojen o
se hinchan por osmosis y experimentan yemación en su superficie,
tal como las levaduras. Además,
las microesferas establecen entre
sí puentes que recuerdan la conjugación bacteriana, la que constituye uno de los mecanismos de
transferencia genética común entre estos microorganismos.
Este modelo, así como el de los
coacervados de Oparin, tiene algunas limitaciones. La principal es su
carencia de un programa codificado por ácidos nucleicos. Sin embargo, en experimentos más recientes. Fox ha encontrado que
proteinoides ricos en aminoácidos
básicos, se asocian a ciertos polímeros sintéticos como poli C y
poli U. Esta integración de pol i3 Un ambiente ácido o básico en el que
puede ocurrir una reacción química.
4 Un micrón es igual a una milésima de
mil t'metro.
MENSAJE NO 295, DICIEMBRE 1980
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nucleótidos a las microesferas, sin
duda representa lo que puede
haber sido el comienzo de la
•formación del código genético.
Este último aspecto ha sido
otro punto controvertido. Efectivamente, primero el genetista H.
Muller y posteriormente F. Crick,
L. E. Orgel y otros, han planteado
que la formación de los genes precedió a la existencia de los proteinoides. Estos científicos afirman
que los ácidos nucleicos tienen el
potencial de contener información
para todas las funciones típicas de
los seres vivos. El mejor ejemplo
para esta hipótesis genética lo
constituyen los virus. Estas estructuras, que consideramos hoy día
en el límite entre lo vivo y lo inerte, están compuestas en su mayoría por un cromosoma sencillo
cubierto de unas pocas proteínas.
El virus es inactivo por sí mismo,
pero al infectar a una célula le
transmite algunas propiedades generalmente nocivas y se reproduce
en múltiples copias de sí mismo
aprovechando para ello la maquinaria celular. Otra ventaja de los
ácidos nucleicos sobre los proteinoides es su propiedad de autorreplicación, característica esencial
de la materia viva.
En todo caso, las teorías opuestas de Fox y Muller no debieran
ser exciuyentes. Es probable que
los ácidos nucleicos y las proteínas hayan evolucionado simultáneamente y luego hayan llegado a
organizarse ya sea en un coacervado, microesfera o bien cualquier
otra estructura de este tipo.
Debemos introducir en esta
etapa un nuevo concepto. Las
células sumergidas en el caldo
primitivo necesitaron, como las
actuales, de la energía necesaria
para mantenerse, crecer y multiplicarse. En ese medio carente de
oxígeno, ésta debe haber sido
obtenida del metabolismo anaeróbico 5 , quizás una fermentación,
de compuestos orgánicos que ellas
eran capaces de captar del medio.
Pero al hacerlo, las precélulas
estaban agotando la existencia de
su fuente de energía. En esas
5 Reacciones químicas celulares en que,
precisamente, no Interviene el oxígeno.
MENSAJE NO 295, DICIEMBRE 1980
circunstancias, puede haber sido el
anhídrido carbónico, uno de los
productos de fermentación, el que
salvó la situación, Aprovechando
su acumulación creciente y la
energía solar, la célula inventó la
fotosíntesis, lo que le permitió
biosintetizar sus propios componentes y eliminar su dependencia
de las biomoléculas prebióticas.
El surgimiento de la fotosíntesis cambió totalmente las características del medio ambiente y de
la célula. Esto se debe a que uno
de los subproductos de la fotosíntesis es el oxígeno molecular, el
que permitió a la célula oxidar a
las biomoléculas en un proceso
que te permitía conseguir mucha
más energía que la que obtenía
por fermentación. Por otra parte,
el contenido de oxígeno y de ozono en la atmósfera aumentó a través de los años y comenzó a detener la radiación ultravioleta del
sol, la que es intolerable para la
célula. Se produjo así la libera
con de los primeros microorganismos de la necesidad de tener
que vivir en las profundidades
oceánicas.
Comentarios finales
• ¿Habrá surgido la vida en un
punto geográfico preciso del planeta o en varios lugares al mismo tiempo? No sabemos nada al respecto.
Algunas observaciones apuntan
hacia la primera posibilidad. La
primera de ellas es la universalidad
del código genético. Esto significa
que el "idioma" que se usa para
codificar el mensaje genético es el
mismo en todos los seres vivos, no
existiendo una razón especial para
que sea de esta manera. La otra
observación esta representada por
el tipo de aminoácidos que forman parte de la materia viva.
Todos los aminoácidos, menos la
glicina, pueden tener dos fórmulas
estructurales o isómeros, que
difieren sólo en la distribución
espacial de sus átomos. Son, como
nuestras manos, uno la imagen
especular del otro y por lo tanto
no se pueden superponer. Se denominan isómeros D y L. Ambos
grupos de isómeros ópticos pueden formar proteínas normalmente por separado, pero no lo hacen
si se encuentran presentes en
combinación. Aunque se han sugerido algunas razones para ello, no
hay una explicación satisfactoria
para el hecho de que, salvo contadas excepciones, los seres vivos
contengan sólo el isómero L de los
aminoácidos.
• S¡ pudiéramos por un instante
prescindir de consideraciones filosóficas y.teológicas, surge la interrogante: ¿es inevitable que surja
la vida cuando se dan el tiempo requerido y las condiciones que tuvo
la tierra durante los primeros 1.000
millones de años? Tenemos algunos datos sobre biomoléculas
encontradas en meteoritos y polvo
lunar, pero esto no significa gran
cosa, ya que, como hemos visto,
ellas pueden sintetizarse abióticamente.
• La teoría de la evolución es
aceptable tanto para los agnósticos como para los que creemos en
Dios. Los primeros pueden atribuir el fenómeno de la vida a un
nivel de organización especial que
adquiere la materia. Para los hombres de fe, la evolución responde a
la aplicación paciente y progresiva
del plan de Dios, el que ha ido
desarrollándose a lo largo de la
historia del universo con singular
perfección y sentido.
• Todas las experiencias realizadas en el laboratorio representan
sólo aproximaciones que nos conducen a comprender cómo puede
haber surgido la vida. Es probable
que nunca obtengamos una respuesta satisfactoria. Pero aunque
así fuese, esto no querría decir
que seremos capaces de construir
un ser vivo artificialmente. Obviamente, hace falta algo más que un
grupo de biomoléculas bien organizadas para que éstas se comporten como un microorganismo. De
hecho, una célula recién muerta
tiene su arquitectura adecuada y
los compuestos orgánicos que tenía antes de morir y,sin embargo,
algo más todavía le falta. Si
supiéramos qué es, quizás tendríamos por fin una definición apropiada de lo que es la vida.
•
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