El origen de la vida (II): el camino hacia la célula

 Tetrahymena_thermophila

Desde los experimentos de Miller y Urey casi todos los componentes de las moléculas complejas de los seres vivos han sido obtenidos en el laboratorio sometiendo mezclas de gases sencillos y compuestos minerales a distintas fuentes de energía. Ha quedado demostrado que, si no la vida, la materia de la vida se puede generar de manera espontánea. Y es lo que ocurrió hace unos 4000 millones de años, ya fuera en la Tierra o en algún otro lugar del Universo.

Pero hasta la fecha ningún laboratorio ha podido sintetizar ninguna forma de vida. Todavía existe un salto, un eslabón perdido entre los compuestos químicos de la Tierra primitiva y la primera forma de vida (la primera célula, una entidad con capacidad de automantenerse y reproducirse). Incluso se desconoce cómo desde aquellos compuestos químicos relativamente sencillos se pudieron originar las complejas macromoléculas presentes hoy en todos los seres vivos (los ácidos nucleicos o las proteínas). Pero el tesón de los científicos y reveladores descubrimientos van dándonos pistas sobre cómo rellenar los huecos. Esta es la historia del origen de la primera célula.

La primera parte de la historia de la vida fue una evolución puramente química: un cambio de las moléculas en el transcurso del tiempo. En los comienzos, a partir de reacciones químicas espontáneas, surgían nuevas moléculas, que posteriormente se destruían. Pero entonces algunas empezaron a protegerse en el interior de burbujas o en la superficie de arcillas o cristales. De esta manera, no sólo se mantenían más tiempo, sino que podían aumentar su actividad, al estar los compuestos más cerca los unos de otros.

La importancia de una frontera

Entre las nuevas moléculas que se creaban surgieron unas muy especiales: los fosfolípidos, que tienen la característica de poseer carga eléctrica en uno de sus extremos, mientras que el otro no posee carga. Esto hace que uno de sus extremos atraiga el agua mientras que el otro que la repele, motivo por el cual tiende a formar gotas espontáneamente. Estos compuestos permitieron encerrar a otras sustancias en su interior, aislándolas del exterior.

De estas primitivas vesículas apareció más pronto o más tarde, la membrana, el elemento común a toda célula: una doble capa compuesta básicamente por fosfolípidos, una estructura semipermeable, que actúa como una puerta entreabierta permitiendo la entrada de determinadas sustancias químicas, mientras que impide el paso de otras. Una estructura que permitió distinguir por primera vez distinguir entre dentro y fuera, lo propio de lo ajeno. Y que permitió crear un ambiente interno aislado termodinámicamente del exterior, para que el orden y la complejidad se mantuvieran.

La necesidad de catalizadores

La química nos dice que las primeras reacciones que tenían lugar, aunque espontáneas, serían muy lentas. Para que las reacciones tengan lugar a una escala de tiempo efectiva se necesitan catalizadores. Sin la presencia de catalizadores, las reacciones químicas son tan lentas que es como si no ocurrieran.

Por ejemplo, la descomposición del peróxido de hidrógeno (el agua oxigenada) está favorecida, en el sentido que los productos de reacción son más estables que el material de partida. Sin embargo, la reacción no catalizada es lenta, tan lenta que puedes comprar una botella de agua oxigenada sin que miedo a que se convierta en agua y oxígeno al llegar a casa. Si se añade una pequeña cantidad de dióxido de manganeso, el peróxido de hidrógeno reacciona rápidamente, como puede observarse por la efervescencia del oxígeno. El dióxido de manganeso puede ser recuperado sin cambios, y volver a utilizarse de forma indefinida. Es un catalizador. ​

Los seres vivos contamos con catalizadores biológicos, indispensables para que ocurran las reacciones químicas que tienen lugar en nuestras células y que conforman el metabolismo. Los catalizadores de los seres vivos son las enzimas, seguramente las más indispensables de entre todas las proteínas. Las enzimas son las que permiten el automantenimiento de las células, la maquinaria celular que garantiza la continua entrada de energía y materia para que la vida no se detenga.

En el camino hacia la vida debieron surgir en algún momento las enzimas, no sabemos cuándo ni cómo, pero sí que tuvo que ser de forma temprana.

La necesidad de replicación

Además de la catálisis, la otra capacidad que debieron adquirir las primitivas moléculas o estructuras en su camino hacia la vida fue la replicación, la capacidad de fabricar copias idénticas de sí mismas, con tal de que pudieran seguir existiendo y no acabar por desaparecer.

Esta capacidad llegó con la aparición del ácido nucleico, la molécula que contiene la información genética y que es capaz de replicarse a sí misma para transmitir la información a sus descendientes. Todos los seres vivos actuales poseen un tipo de ácido nucleico, la molécula de ADN, como almacenador de la información genética. El ADN es el manual que contiene las instrucciones para fabricar las proteínas. La información se transfiere mediante otra molécula de ácido nucleico, a ARN. Es el dogma central de la biología: la información contenida en la secuencia de nucleótidos del ADN se transcribe a una secuencia complementaria de una molécula de ARN y ésta se traduce a una proteína.

El enigma del huevo o la gallina

Pero si tanto las proteínas como el ADN son imprescindibles para la vida, por la necesidad de catálisis y la necesidad de replicación, a no ser que aparecieran de forma simultánea (cosa bastante improbable) ¿cómo pudo sobrevivir la una hasta que apareciera la otra? Y no sólo eso sino que las proteínas se sintetizan a partir del ADN pero a su vez el ADN necesita de las proteínas para replicarse.

El problema tenía confundidos a los biólogos. Pero en la década de 1980 llegó la solución. Thomas Cech y Sidney Altman describieron por primera vez, de manera independiente, la existencia de moléculas de ARN con capacidad catalítica. Hasta entonces al ARN se le consideraba un simple transferidor de información entre el ADN y las proteínas.

 

Pero si el ARN poseía la doble capacidad, de catálisis y de replicación, era el candidato a ser el origen de todo. Antes del desarrollo del ADN y las proteínas, el mundo estaría basado en el ARN, ejerciendo a la vez el papel de almacenador de la información y de agente catalítico. Sólo más tarde, otras moléculas más especializadas sustituyeron al ARN en esas funciones: el ADN para guardar la información de manera más estable y las proteínas para ejercer las funciones catalíticas.

Así pudieron surgir al cabo del tiempo estructuras capaces de mantenerse de manera activa y con éxito que producían versiones de sí mismas. Fue el origen de las primeras células verdaderas, seguramente parecidas a los procariotas modernos: las bacterias y las arqueobacterias. Las primeras entidades que pueden considerarse vivas.

Imagen de la entrada: Los estudios con el protozoo Tetrahymera thermophila condujeron a la idea de que el ARNr se comportaba como una enzima.  Por el descubrimiento de la capacidad catalítica del ARN los científicos Cech y Altman recibieron recibieron en 1989 el Premio Nobel de Química.
Robinson R (2006) Ciliate Genome Sequence Reveals Unique Features of a Model Eukaryote. PLoS Biol 4(9): e304. doi:10.1371/journal.pbio.0040304

 

Bibliografía:
1. Lynn Margulis; Dorion Sagan. Qué es la vida. (1997). Edicions Proa, S.A.
2. Mestres, F. et al. Una meravella anomedada vida. Com són, com funcionen i d’on vénen els éssers vius. Universitat de Barcelona edicions, col·lecció catàlisi.
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