sábado, 5 de noviembre de 2016

Orígenes. La vida. Capítulo 7. De las primeras células a LUCA

En este capítulo, sobre los orígenes de la vida, llegamos a la etapa donde se forman las primeras células y avanzamos hasta LUCA.

Cuando leí por primera vez el nombre de Luca, me pareció entrañable. Luca, nuestro antepasado común con todo ser vivo de la tierra, tenía un nombre que mi hijo le podría haber puesto a uno de sus peluches. Pero seguidamente leí que eran las siglas de “last universal common ancestor” y reconozco que esto le quitó algo de calidez al nombre :D.

A la izquierda, microfósiles descubiertos por Schopf (1993) en Australia, con una antigüedad de 3.465 Ma. A la derecha un peluche como Luca en mi imaginación (¡no hay tanta diferencia! ;)).

LUCA no es el primer ser vivo. Y puede que ni tan solo fuera una especie celular única, sino una comunidad de especies que intercambiaban libremente sus genes… la idea de Luca como peluche se va diluyendo ;).

Los primeros seres considerados como vivos fueron los sistemas que tenían acoplamiento de compartimento, metabolismo y genoma. Que es el camino hacia la formación de las primeras células.

Hacia el Mundo DNA/RNA/proteínas

Situémonos en las primeras proto-células que, según el modelo actual del Mundo RNA, estarían formadas por membranas transductoras de energía que contendrían: monómeros variados, péptidos intracelulares y transmembrana, catalizadores orgánicos e inorgánicos, y además moléculas de RNA (con capacidades tanto informativas como catalíticas).

En esta etapa las ribozimas con actividad RNA ligasa podrían haber sido las promotoras del ensamblaje modular de un genoma de RNA progresivamente más largo, que sería replicado (cometiendo muchos errores de copia) por ribozimas RNA polimerasas contenidas en el propio genoma.

Estas proto-células constituían auténticos sistemas evolutivos pues la replicación de su genoma incluía la reproducción del compartimento.

Mientras, en la evolución de las ribozimas peptidil-transferasa a los ribosomas, se fue mejorando el proceso de traducción de la información mantenida en el genoma. Sintetizándose diferentes proteínas, y algunas de las cuales - las funcionales - permitirían mejorar la viabilidad. Las proteínas (por evolución) se irían encargando cada vez más de las actividades catalíticas y del transporte a través de membrana; la eficacia de los ribosomas crecería, y gracias (en parte) a la transferencia génica horizontal mediada por virus RNA, el genoma sería cada vez más largo.

Pero uno de los cambios más importantes para la historia de los seres vivos fue la reducción de ribonucleótidos a desoxirribonucleótidos, es decir nuestro DNA. Un sistema mucho más adecuado para almacenar información genética, pero (probablemente) sin las capacidades catalíticas del RNA. Y las proteínas se convirtieron en casi las únicas responsables de las funciones estructurales y catalíticas de la proto-célula. No obstante los ribosomas, algunas ribozimas y su papel en la regulación de la transcripción quedarían para la historia como testigos de la extraordinaria capacidad funcional del RNA, la macromolécula clave en el origen de la vida.

Y así fue como se estableció el nuevo Mundo DNA/RNA/proteínas.

El tamaño del DNA (sobre todo por la duplicación de genes), su complejidad y su eficiencia aumentó progresivamente.

Según algunos modelos computacionales, sería posible originar un genoma complejo (de en torno a 10 millones de nucleótidos) en tan sólo 7 Ma.

Los primeros metabolismos

En esta sección se nos plantea qué tipo de metabolismo pudieron tener las primeras células o (dicho de forma más precisa) las primeras fuentes de energía externa que permitieron a una célula producir el potencial electroquímico de protones a través de la membrana (y que posteriormente puede utilizar la célula para transportar nutrientes de fuera hacia dentro, para generar calor o movimiento, o para producir ATP gracias a la acción de una H+ATPasa).

Para ello el autor repasa brevemente las clasificaciones de los metabolismos. La denominación de los diferentes metabolismos depende de tres variables clasificatorias:

La primera clasificación es por cómo obtiene el organismo su fuente de energía:
  • Fotótrofos: Son los organismos capaces de emplear la luz del Sol como fuente de energía, mediante procesos de fotosíntesis.
  • Quimiótrofos: Son los seres vivos que pueden extraer la energía de ciertos compuestos químicos (orgánicos o inorgánicos) empleando distintas rutas metabólicas.
La segunda es por los tipos de compuestos químicos con los que funcionan:
  • Litótrofos: Moléculas reducidas o ricas en electrones que los transferirán a la maquinaria metabólica durante el proceso. Estas pueden ser compuestos inorgánicos (p.e. H2O).
  • Organótrofos: Moléculas orgánicas que son los sustratos para construir las biomoléculas del ser vivo (p.e. los aminoácidos).
La tercera clasificación es en cuanto a la fuente de carbono del organismo:
  • Autótrofos: si lo consiguen fijando el carbono inorgánico del CO2 presente en la atmósfera o disuelto en el agua.
  • Heterótrofos: si lo obtienen a partir de compuestos orgánicos producidos previamente por otros organismos, o bien, en la Tierra primitiva, aportados por meteoritos o cometas.
  • Mixótrofos: si pueden conseguirlo de una u otra fuente.
Combinando estas tres variables, la denominación global de cada tipo de metabolismo se realiza uniendo los prefijos correspondientes. Actualmente se conocen cinco grupos de metabolismos: foto-lito-autótrofos (p.e. las plantas), foto-organo-heterótrofos (p.e. las bacterias púrpura no del azufre), quimio-lito-autótrofos (p.e. las bacterias oxidadoras del azufre), quimio-lito-heterótrofos (p.e. algunas especies del género Nitrobacter), y por último quimio-organo-heterótrofos (p.e. los animales).

Pero pasemos a los primeros seres vivos. ¿De qué tipo eran en cuanto a la fuente de carbono? Hay discrepancias entre si fueron autótrofos o heterótrofos.

Aunque inicialmente Oparin y Haldane pensaron en un origen heterotrófico, ciertos descubrimientos en los últimos 60 años (como la hipótesis del mundo de hierro y azufre asociado a sistemas hidrotermales submarinos) hacen apoyar la posibilidad de un origen autotrófico de la vida.

La abundancia relativa de los isótopos de carbono presentes en rocas sedimentarias con una antigüedad de 3.800 Ma, encontradas en Groenlandia, podría indicar un sistema biológico de fijación de CO2 ya desarrollado, compatible con un origen basado en quimiolitoautotrofía.

300 Ma después probablemente ya existían células en nuestro planeta, aunque el metabolismo que utilizaban aún es una incógnita.

Pero no se debe excluir la posibilidad de que diferentes tipos de células hubieran explorado simultáneamente las múltiples opciones de aprovechamiento metabólico.

LUCA, el antepasado común

Y llegamos a LUCA (sección que desmonta al peluche que me había imaginado ;)) que es la única línea evolutiva superviviente del proceso de diversificación iniciado en el mundo celular anterior.

Lo sabemos porque las técnicas de filogenia molecular desarrolladas han permitido corroborar que LUCA realmente existió y podemos inferir muchas de sus propiedades. Fue una especie unicelular y sin núcleo definido, que morfológicamente se parecería a los procariotas que conocemos. Ya tenía ribosomas plenamente funcionales y muy parecidos a los actuales, y en él se había consolidado el flujo de información genética como DNA→RNA→Proteínas.

Para saber cómo podría ser el genoma de LUCA, se están comparando todos los genomas completos secuenciados en busca de los genes comunes a los seres vivos pertenecientes a los tres dominios.

Así, en la actualidad se considera que LUCA debería de tener un mínimo de 600 genes, con los cuales sería teóricamente posible construir la maquinaria de replicación (no completa), y de transcripción y traducción (éstas muy completas), además de satisfacer todas las necesidades metabólicas básicas de las células tal como las conocemos, lo que garantizaría su reproducción.

Pero se han considerado células viables con menos de 208 genes. Aunque si realmente existió una especie tan simple, en algún momento anterior a LUCA, tuvo que realizar un recorrido evolutivo largo y complejo (que, entre otras cosas, implicaría triplicar la longitud de su genoma) en el camino hacia nuestro último ancestro común.

En cuanto a sus características metabólicas se asume que LUCA sintetizaba ATP a partir de un potencial de membrana, utilizando una H+-ATPasa similar a las actuales. La mayor parte de expertos se inclinan en que el metabolismo de LUCA fue quimiolitoautotrófico o quimiolitoheterotrófico. Es decir hay dudas sobre la fuente de carbono que utilizaría, pero se cree que obtendría la energía y el poder reductor a partir de compuestos inorgánicos.

Las redes catalíticas implicadas en el metabolismo central de LUCA serían prácticamente las mismas que en todos los organismos actuales.

Existe un amplio consenso sobre el hecho de que hace unos 3.500 Ma nuestro planeta estaba poblado por diferentes especies celulares herederas de LUCA, y que establecían relaciones ecológicas entre sí.

Desde entonces la evolución propició la ocupación del mar, la tierra y el aire por múltiples y diversas formas de vida. Y nuestro planeta ha sido profundamente modificado por esta vida.



Y la cuestión estándar: ¿Qué os ha parecido el capítulo? :) ¿Y LUCA?

¡Que tengáis una feliz semana!

11 comentarios:

  1. Hola Conxi, un gran resumen.

    ¿Qué me ha parecido LUCA?
    Tu Luca me ha molado (la copiaré, sin duda).
    La Luca del libro es algo distinto, sigue extrañándome que de todas esas proto-células que se supone que hubo vengamos solo de una ¡joder, me extraña, lo siento!
    Y no lo cuestiono (las pruebas me parece que son abrumadoras), solo digo que me extraña (estas cosas no me generan estrés: cuando mi intuición me dice algo distinto que las pruebas, no cuestiono las pruebas, solo flipo con que mi cabeza siga pensando algo que sé que no está bien).

    ¿Qué me parece el capítulo?
    Me ha gustado y lo que más me ha gustado ha sido la clasificación (la desconocía totalmente).
    El tema de las clasificaciones me fascina desde el punto de vista docente. Como yo solo conocía autótrofo y heterótrofo estaba equivocado en alguna de las generalizaciones que yo hacía en mis clases. Creo que es un verdadero problema que no se expliqué el criterio y que solo se dé la clasificación.
    Me fascina porque si no explicamos claramente el criterio nuestra mente trata de generalizar y le atribuye muchos más adjetivos procedentes de otros criterios.
    Hago un experimento mental con vosotros, leed la siguiente palabra: inmigrante. Apuesto a que casi todos le habéis atribuido otros adjetivos (gente que necesita ayuda o gente que genera problemas o... cada uno una cosa, según lo que vuestra cabecita quiera pensar). Pero ¿alguien ha pensado simplemente en una persona que ha ido a vivir a otro país y no le ha atribuido alguna imagen accesoria?
    También me fascina porque al explicarlas creo que tenemos que, además de dejar muy claro el criterio para que la mente no les juegue malas pasadas, hacerles ver que el criterio es un simple invento humano para intentar simplificar la realidad, que todo está mucho más mezclado ("holístico" ¿me pegáis?) y que las clasificaciones solo son para poder manejar el problema pero que no son lo importante.
    Fascinante. Realmente todos los años intento transmitirle algo de esto a mis alumnos y espero conseguirlo.
    Y también me fascina porque creo que soy de los pocos que ven esto fascinante. Los que estáis por Tertulias sabéis que siempre saco este tema, pero la verdad es que creo que no soy capaz de transmitir bien lo que siento.

    Resumiendo, esa parte del tema me ha encantado, creo que la clasificación está bien explicada y creo que realmente la integra en una explicación holística de todo el problema. ME HA GUSTADO

    Y poco más, que soy muy pesado.

    Saludos.

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    1. Hola Juan Carlos,

      Sobre que “tu cabeza siga pensando algo que sabes que no está bien”, a mi también me pasa con otros temas… es curioso cómo funcionamos :).

      Pero en este caso veo claro que de todas las proto-células quedase solo un conjunto de genes (que no tiene que ser solo un ser vivo). Es como funciona la evolución. Si todas las demás proto-células (o más bien, un conjunto de genes) no se adaptaron tan bien al medio, entonces sus descendientes fueron menos, hasta que no quedó ninguna. Ha pasado continuamente con un montón de especies, entre ellas el género “Homo”. Solo quedamos nosotros los autollamados “Homo sapiens” (para mi gusto una denominación demasiado egocéntrica...).

      Sobre el tema de la clasificación, estoy de acuerdo contigo. Y después de pensarlo, aunque yo no lo hubiese descrito como holístico, creo que tienes razón.

      El ser humano es magnífico clasificando. Como tú dices “es un simple invento humano para intentar simplificar la realidad”. Pienso que es una de nuestras cualidades más destacadas. Lo que tenemos de “sapiens” depende mucho de ello. El simplificar nos permite abordar los problemas (o conceptos) mucho más fácilmente.

      No diría que me fascina como a ti, pero sí que es una cualidad increíble.

      ¡Saludos!

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  2. Gracias, Conxi, por tu resumen. Me ha parecido fantástico
    Me gusta mas tu Luca que la real, trasmite ternura. Pero como nos cuentas, hay pruebas que era muy distinta,  mas bien un "bichejo" feo y desordenado  :)
    Y esas evidencias, como a ti Juan Carlos , me cuestan.  Cuesta asumir un único origen para todo lo vivo. Desde un hongo, una mosca , una margarita o nosotros.

    Muestra mente estructura lo que ve en categorías  y resulta chocante que un helecho pertenezca al mismo linaje que mi hermana.
    Mi instintivo buscador de patrones me dice que no tienen nada que ver.

    Pero si despacio, uso la razón, lo comprendo y hasta me patece tan hermoso y holístico  ( te tomo el palabro prestado, Juan  Carlos ;)) como el Big Bang.

    Hay trozos del capítulo que los he llegado a poder disfrutar, he comprendido más conceptos. Pero sigo sin poder comprender el paso de la quimica a la bioquímica.
    Habrá que leer más sobre el tema.

    Un abrazo a todos y muy buena semana

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    1. Hola Cristina,

      Como gustar, a mí también me gusta más mi Luca XD. Pero la realidad es la realidad. Aunque por otro lado, me parece maravilloso que todos los seres vivos compartamos un conjunto de genes. Esta relación, con toda la vida, también me hace sentir ternura, y la puedo trasladar a esos primeros bichejos que nacieron con esos genes que ahora se han multiplicado y evolucionado de forma tan extraordinaria.

      Me ha gustado cómo relacionas el “cómo nuestra mente estructura lo que ve en categorías” con que nos pueda resultar chocante que todos los seres vivos vengamos de lo mismo… es uno de los problemas de clasificarlo todo, la realidad casi siempre es más compleja que nuestras clasificaciones simplistas.

      ¡Saludos!

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  3. Hola Conxi,

    no me voy a meter con tu LUCA ni con tu resumen, muy bien todo ;o))

    A mi la primera parte no me ha supuesto problema y me ha gustado. Con LUCA me han surgido muchas dudas. De vuestros comentarios, corregidme si me equivoco, deduzco que veis a LUCA como un solo organismos de la que salió todo, pero yo soy incapaz de verlo así, no creo que fuera un solo organismos, sino un conjunto enorme y variado. Esto lo digo por como se ha deducido que existió LUCA, se va hacia atrás buscando genes comunes y se plantea un modelo de los genes que pudieron sobrevivir y los que no para deducir los genes que tuvo que tener LUCA. Esto es lo que me hace pensar que debieron ser muchos organismos que tuvieron una evolución, por decirlo de alguna manera, convergente.

    No sé si esto es así, pero no entiendo a LUCA como un organismo único.

    Saludos

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    1. Hola, Jorge
      Entiendo lo que dices. Yo lo que "intuyo " que repito, no entiendo nada, es que varios organismos efectivamente evolucionaron conjuntamente para terminar a través de  algún tipo de  "simbiosis" , ( no se si es correcta la palabra) como,  la que se ha mencionado, compartiendo genes. Para terminar "creando" un solo ser más estable que todas las pruebas y pupuris, anteriores.
      Si no porque darle un nombre que lo individualiza, que lo combierte en un único ente?
      Saludos

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    3. Hola Jorge,

      Lo veo más como tú dices (por desgracia para mi Luca imaginaria ;)) “un conjunto enorme y variado” de organismos, pero que llegaron a compartir genes, hasta que solo sobrevivieron los genes que más se adaptaron al medio. Es como el concepto de “gen egoísta” de Richard Dawkins. Lo importante aquí no es si sobreviven los organismos, ni las especies, sino los genes. Y por transferencia horizontal (propiciada por los virus), o (por qué no) por convergencia de genes, pudieron sobrevivir muchas especies cuyos descendientes evolucionaron gracias a los genes de otras especies y que son los que conforman LUCA.

      Cristina, entiendo que LUCA son un conjunto de genes, que (como a mí) nos gusta imaginarnos como un ser, pero que tal vez nunca llegó a existir como tal, aunque sí sus genes en un montón de organismos (es probable) aunque no es imposible que fuera una sola especie. Las características de los fenotipos de los genes que nos interesan de estos bichitos son las características de LUCA, y morfológicamente se parecerían a los procariotas que conocemos (y por tanto, a mi peluche XD).

      Al menos eso es lo que he entendido… :)

      ¡Saludos!

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  4. Voy a atreverme a comentar antes de terminar el capítulo. Según entiendo, a mi me parece que LUCA es lo primero que se parece a algo con lo que podemos comparar, es decir, aún existiría algo parecido a LUCA por aquí cerca.
    Supongo que será difícil poner un punto de aparición de LUCA, porque más bien parece una fase más de todo un proceso.

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    1. Hola Javi,

      Sí, no hay una fecha de aparición de LUCA, sino un período de millones de años. Y como tú me imagino un proceso de aparición de los genes comunes que precedieron y que son la base de toda la vida que conocemos.

      ¡Saludos!

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  5. Hola Conxi

    Buen resumen, sigo viéndome superado por tanto nombre y lo ha dejado muy accesible.
    Aunque coincido con que las clasificaciones son buenas no ha sido la parte que más me ha gustado. Esos supernombres no creo que simplifiquen mucho solo ahorran espacios, parece que los hubiese inventado un alemán.

    Me ha gustado mucho "Luquita", el peluche y la reflexión sobre LUCA, el origen.
    Entiendo que podemos volver hacia un origen común y que pueda ser una única especie celular. Siendo tan compleja la evolución hacia las protocélulas también lo debe ser hacia las primeras células. Y si ves él número de nucleótidos implicados ya no queda duda. Veo a LUCA como una evolución avanzada, una población de protocélulas en las que una mutación permite el paso definitivo. Una célula nueva que consigue, sola o en conjunto con las demás, una autonomía suficiente para mantenerse en diversos medios y crear una población que seguirá mutando y creará los seres que conocemos.
    Precioso, pero no olvidemos que "mañana" se puede descubrir cualquier cosa que nos desmonte nuestra deducción. No por completo ya que tenemos buenos estudios basados en pruebas pero sí cambiar, como ha sucedido hasta ahora, las líneas de estudio.
    Así pues, intentaré conseguirme el peluche pronto ;-)

    Hasta luego

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