EVO Tema 2 y 3.- El origen de la vida (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Evolución
Año del apunte 2014
Páginas 5
Fecha de subida 20/02/2015
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16-02-2015 11-00 - 12-00 H GENÉTICA (MAURO SANTOS)
El mundo ARN. Compartimentalización y auto-organización. Del mundo ARN al mundo moderno. LUCA y los límites a la reconstrucción de la historia de la vida. Transiciones evolutivas.

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EVOLUCIÓ arokargomez 3r Biologia UAB Tema 2.- El origen de la vida El mundo ARN. Compartimentalización y auto-organización. Del mundo ARN al mundo moderno. LUCA y los límites a la reconstrucción de la historia de la vida. Transiciones evolutivas.
FECHA: 16-02-2015 11:00 - 12:00 H GENÉTICA (MAURO SANTOS) De la química a la herencia La biologia está basada en la quimica organica e ionrganica, por tanto en la evolucion no se debe distinguir evolucion biologica (Darwiniaa) de evolucionh quimica (cambio de diferentes moleculas organicas que ha surgido durante la historia).
Hace aproxiadamente 4 mil millones de años se postula el mundo pre-RNA en el que empezó la vida.
Las primeras proteinas empezarian hace unos 3.6 mil millones de años. Así, desde la formacion de la tierra hasta el origen de la vida pasaron solamente mil millones de años. Desde hace 3.6 mil millones tenemos el LUCA, la celula des de la que se supone que derivan todos los organismos existentes. Por métodos filogeneticos, si queremos ver cual es el origen de los organismos actuales, no podemos ir más atras de LUCA, por tanto todo queda en especulaciones.
En el 1953 hubo un experimento de Miller-Urey que simuló cuales eran las condiciones primigenias de la vida y supuso que la atmosfera era reductora. Simuló descargas eléctricas y vio que al cabo del tiempo en este matraz que simulaba los oceanos primitivos se acumulaban sustancias orgánicas (azúcares, aminoácidos, nucleótidos, etc), demostrando que se podian formar compuestos organicos a partir de inorganicos. Este experimento fué el que dió las claves del origen de la vida.
La evolución química prebiótica La formacion de aminoacidos y azucares por si sola no da el origen de la vida. Se cree que en fuentes hidrotermales fué donde se pudieron dar las primeras formas de vida por la temperatura geotérmica.
Si queremos definir la vida: nosotros observamos en la tierra el resultado de un único experimento.
En el 2004 se publicó un articulo en que se intentaba dar una definicion minima de lo que se puede considerar vida. Proponen una definicion de vida universal como “un sistema autonomo con unas capacidades de evolucionar de forma abierta y que debe poseer las siguientes caracteristicas: una membrana semipermeable, un aparato de traduccion de energia (metabolismo), y al menos dos tipos de moleculas funcionalmente interdependientes (catalíticas y moleculas informativas).” La ultima parte es importante para distinguir lo que es fenotipo y genotipo, aunque puede estar sujeto a discusion.
EVOLUCIÓ 3r Biologia UAB arokargomez Desde un punto de vista quimico, la vida puede considerarse como un supersistema con tres subsistemas: metabolismo, membrana y moléculas informativas para que los cambios ambientales se vayan acumulando en el genotipo y no se pierdan. Estos tres sistemas son necesarios, nosotros lo que hacemos es combinarlos entre ellos.
Durante la discusión del orgien de la vida ha habido fundamentalmente dos opiniones: quien defiende que primero fue la genetica, y quien defiende que primero fue el metabolismo.
Richard Dawkins dice que primero fué la genetica: en algun momento una molecula notable se formo por accidente. Llamaremos a esta molecula el replicador, que puede no haber sido la molecula mas grande o mas compleja, pero tenia la capacidad de hacer copias de sí misma. Por tanto, segun él, el gran origen de la vida nace de este replicador.
Posicion contraria: Stuart Kauffman: “En prinipio, los sistemas moleculares pueden reproducirse y evolucionar sin necesidad de tener un genoma tal como lo entendemos. Por tanto la evolcion adaptativa puede ocurrir en un sistema autoreproductor sin que tenga un genoma. Des de la teoria de evolucion de Darwin, Mendel y la teoria del plasma, los biologos han asumido que la evolucion requiere un genoma, pero dice que es falso. La vida es una propiedad natural de los sitemas quimicos complejos, cuando se unen diferentes tipos de moleculas en una sopa quimica y se pasa un cierto umbral se pueden mantener un seguido de reacciones sostenibles.” Lo que une las dos posturas es la autocatalisis quimica: una molecula con esta propiedad puede crecer exponencialmente por division (la vida es un proceso autocatalitico).
Los principios Darwinianos de evolucion por seleccion natural fueron:  VARIACION FENOTIPICA: Diferentes individuos en una poblacion tienen diferentes morfologias, fisiologias, etc.
 FITNESS O EFICACIA BIOLOGICA DIFERENCIAL: diferentes fenotipos tienen diferentes ratios de superviencia y reproduc ion en diferentes ambientes.
 LA FITNESS ES HEREDABLE: hay una correlacion entre los padres y la descendencia en conribucion a las futuras generaciones.
En un ordenador se puede simular el proceso Darwiniano ya que es un algoritmo que se aplica a cualquier entidad con las caracteristicas adecuadas. Necesitamos una correlacion entre padres e hijos, por eso la herencia es un concepto abstracto.
Hay una generalizacion importante en los principios: no hay ningun mecanismo de herencia en particular, simplemente una correlacion en la eficacia biológica entre los padres y la descendencia. La seleccion natural requiere reproduccion, por tanto requiere una cierta autocatálisis, uniendo asi la evolucion quimica y la biologica.
Una molecula autocatalítica puede ser cualquier molecula o conjunto de moleculas que catalizan su propia produccion en un ambiente que lo permita. Un ejemplo es la reaccion de la formosa, donde a partir de dos moléculas de formaldehido que se condensan obtenemos formaldehido, que con otro formaldehido dará glicoaldehido de nuevo. Es una reaccion que ocurre de forma espontania y despues de varios ciclos se da una gran cantidad de azucares, por tanto no sólo da un crecimiento exponencial sino que ademas da compuestos organicos.
EVOLUCIÓ 3r Biologia UAB arokargomez Otro ejemplo de autocatálisis es la replicacion del DNA, que tambien da un crecimiento exponencial de esta molecula. Este crecimiento exponencial es importante para que se de la evolucion. De hecho, la idea que llevo a Darwin a pensar en ello fue leer que podia haber un problema de sostenibilidad en la tierra ya que los recursos crecen de forma aritmetica y los organismos de forma exponencial. Darwin pensó que si esto era asi un crecimiento exponencial haria que hubiese que luchar por los escasos recursos y asi se daría seleccion natural porque habria que “luchar por la existencia”.
Dawkins propone que un replicador es cualquier cosa en el universo de la que se hacen copias, es decir una molecula autocatalítica. Si uno sigue esta definicion, cualquier molecula capaz de multiplicarse seria un replicador, necesitando distinguir tipos:   Los replicadores que no son informacionales. Tienen una herencia limitada (como el glicoaldehido) Los replicadores que son informacionales. Tienen una herencia ilimitada (como el DNA).
Con lo cual, sólo los replicadores que son informacionales poseen las propiedades que se requiere para la evolucion Darwiniana, que son los que tienen una capacidad de herencia ilimitada. Eso es lo que significa evolucion abierta (open-ended evolution). Esto significa que si un gen tiene 4 nucleotidos y la longitud del gen tiene 70 bases, el numero de posibles nucleotidos es de 2^140. El espacio combinatorial es, a efectos practicos, infinito.
En realidad no se necesita un aparato genetico, ya que un sistema organico que pueda considerarse autocatalítico ya puede tener capacidad de evolucion por seleccion natural. En el 2000 se hizo un experimento llamado modelo de GARD para demostrar esta premisa de Kauffman. Se demostro que seria un sistema de herencia composicional: Supusieron un entorno en que hay un mundo lipídoco.
Habria moleculas lipidicas que tendrian un extremo hidrófobo y otro hidrófilo. Estos compuestos tienen la capacidad espontanea de formar micelas o vesículas.
Suponian que los diferentes compuestos lipidicos podian incorporarse a la micela creciente o se podian desprender, y la tasa de incorporacion depende de la composicion de esa micela (si habia mucho de un tipo se incorporaba de otro) y de unas constantes matematicas. En el ciclo de vida de esta micela cuando se llega a un tamaño crítico se dividen en dos micelas.
Se preguntaron si habia herencia en ese sistema. La composicion de las vesiculas hijas se correlaciona con la composicion de la vesicula madre mas de lo que se esperaria por azar? Se dió que si, que había una herencia de tipo composicional, por ello le dieron el nombre de COMPOSOMAS.
Observaban que era una dinamica temporal y que en un momento determiado una composicion era la que dominaba la poblacion y permanecia durante bastantes generaciones. Este sistema podria constituir una demostracion de la seleccion natural en un sistema de moleculas sin que haya un genoma.
EVOLUCIÓ 3r Biologia UAB arokargomez Comparando este sistema con los principios Darwinianos de evolución por selección natural encontramos que:  Este sistema tiene variacion fenotipica (los diferentes individuos en la población tienen diferente morfología, fisiología y comportamiento ya que tienen diferente composicion de lipidos y diferentes propociones en cada micela).
 Hay fitness diferencial (los diferentes fenotipos tienen diferentes ratios de supervivencia y reproducción en diferentes ambientes, demostrado ya que la micela crece de forma diferente segun su composicion)  Hay fitness heredable (la mencionada herencia composicional, ya que hay una correlación entre progenitores y descendencia).
Dado que se cumplen estos requisitos llegaron a al conclusion de que el experimento quedó demostrado. Pero hubo un problema...
En los años 60 tres autores dijeron que el mundo RNA era una necesidad logica. EL mundo RNA aparentemente juega un papel muy simple en el dogma central de la biologia, pero decia que eran unas moleculas con funciones mas importantes como la autoactalisis. Con ello se descubrieron los ribozimas (moleculas de RNA con capacidad catalítica como otras proteinas). Esto resuelve varios problemas: el RNA puede tener un papel dual, llevando la informacion y dando autocatálisis. Puede actuar de molecula que realiza una funcion metabolica y de molecula informativa.
Muchas de las funciones esenciales que realizan las celulas para seguir vivas las da el RNA. El ribosoma en realidad es una gran molecula con RNA y proteinas que le dan estabilidad.
En el año 71 Eigen dice que hay un problema: si la replicacion no es precisa (se cometen errores) la informacion se pierde. Esto da un limite de la informacion que se puede mantener por seleccion natural llamado umbral de error. Si no hay enzimas correctoras la cantidad de informacion que se puede manter es la inversa de la tasa de error. Hace falta un genoma grande para codificar moleculas que corrijan este error, pero con un genoma grande la tasa de error es muy alta.
Es lo que se conoce la paradoja de Eigen. Un ejemplo son los virus, que estan siempre muy cerca del umbral de error. La estrategia para combatirlos podria ser utilizar farmacos que aumenten la tasa de error de los virus para llevarlos al colapso y que no puedan ser estables.
La relacion entre tasa de error y longitud del genoma es inversa. En el caso del modelo de los lipidos esto no se tuvo en cuenta. Se observa que a causa de la mutacion la correlacion entre padres e hijos es menor a 1. Es suficientemente baja como para que este sistema este por encima del umbral de error, de forma que no se podria mantener por seleccion natural.
Asi, hay que añadir otra premisa a las condiciones para que se pueda dar evolucion por seleccion natural.
EVOLUCIÓ arokargomez 3r Biologia UAB Como se puede solucionar esto? Hay que tener en cuenta la correlacion genotipo-fenotipo. En la imagen hay un espacio de secuencias que permite explicar como la seleccion natural es capaz de generar moleculas eficientes con actividad catalitica. Imaginamos una proteina con unos aminoacidos determinados.
Podemos pasar de una secuencia a otra cambiando unicamente un aminoacidos que esten a una unidad de distancia (el aminoacido 1 por el 2). Este espacio de secuencias permite recorrer las posibles secuencias en los que la evolucion natural puede dar moleculas estables y funcionales.
En el mapa de secuencias encontramos puntos que indican las secuencias viables y zonas que no estan marcadas con puntos rojos, que indican secuencias que no son funcionales y que por tanto no se puede evolucionar hacia ella, ya que por el camino habria una fitness de 0. Nosotros exploramos una pequeña porcion del mapa de secuencias y por tanto no podemos evolucionar hacia otra zona del mapa si necesitamos pasar por zonas no funcionales.
Hay un componente historico de evolucion que limita las posibilidades a las futuras generaciones.
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