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La Biografía de la Vida 14. El software genético y la reproducción




Después de haber analizado en la última entrada de esta serie sobre la Biografía de la Vida los entresijos del genoma y cómo funciona el proceso, desde la replicación del mismo hasta la generación de proteínas basadas en su información, pasaremos hoy a completar esta visión general. En primer lugar nos plantearemos cómo pudo surgir todo este mecanismo, para completar el viaje con una visión somera de las vías de transmisión de la información genética, lo que conforma los hechos de la reproducción y la herencia.

Una posible explicación del inicio del software genético

En el mundo anterior al ARN los ácidos nucleicos, es decir, las moléculas equivalentes al ADN o ARN actual, debían ser del tipo de las ribozimas, una mezcla entre un ”ácido ribonucleico” y una “enzima“. Podríamos decir por tanto que serían sencillas moléculas de ARN con capacidad enzimática, incluso para autorreplicarse cuando actuaban sobre ellas mismas. A partir de las ribozimas se llegó a las modernas proteínas.

El paso de las ribozimas a las proteínas enzimáticas fue un proceso gradual de evolución entre estos dos tipos de polímeros, al final del cual una proteína heredó no sólo la función genérica de enzima, sino destacaría en una muy concreta y particular equivalente a la que desarrollaba la ribozima madre, como podía ser la regulación de alguna reacción química concreta.

 RIBOZIMA   –>    PROTEÍNA MODERNA   

En 1983 el biólogo húngaro Gánti Tibor argumentaba con la idea de que si buscamos en esta ruta que llevó de las ribozimas a las proteínas enzimáticas, ambas con funciones parecidas, encontraremos el origen del software genético, desde la duplicación de polímeros basada en pares de nucleótidos hasta el origen de la cadena de montaje de las proteínas que, como vimos al final de la entrada anterior, es el resultado de una relación entre nucleótidos, una ribozima y aminoácidos: los ARN mensajeros y de transferencia, en el ribosoma, capturando aminoácidos para formar las proteínas.

El proceso pudo ser como se describe a continuación, siguiendo una idea del también biólogo húngaro Eörs Szathmáry (ver la figura siguiente).

En la “sopa” del mundo bioquímico cuasi primitivo donde nos movemos coexistían de forma independiente los ácidos nucleicos tipo ribozimas con nucleótidos y aminoácidos. Eran unas más dentro del infinito número de moléculas que se estaban gestando en aquel ambiente. Los aminoácidos interactuarían con las ribozimas mediante espontáneas uniones químicas,  ayudándolas a mejorar la función enzimática y a facilitar su replicación.

 Paso 0.    LOS AMINOÁCIDOS AYUDAN A LAS RIBOZIMAS

¿Cómo consiguieron establecer esta colaboración? Las propias ribozimas (RZ1) se encargaron de catalizar una unión entre aminoácidos y nucleótidos, con el resultado final de que se iban formando unas “moléculas ayudantes”, técnicamente un cofactor, con la particularidad de que posteriormente algunas de ellas se adaptarían sobre otra ribozima.

Pasos 1 y 2.    AMINOÁCIDOS + NUCLEÓTIDOS + RIBOZIMAS   —–>  COFACTOR   —–>  UNIÓN DE COFACTOR CON OTRA RIBOZIMA

La estructura de unión entre aminoácidos del cofactor y una segunda ribozima (RZ2) la formaba la cadena de uno a varios nucleótidos del cofactor, que se unirían por el sistema de pares a los nucleótidos de la ribozima (RZ2). Estas uniones serían muy específicas a la vez que fácilmente reversibles, características que más tarde iban a ser cruciales en la replicación del ADN con la posterior traducción a proteínas. La teoría avalada por experimentos demuestra que una tríada de nucleótidos puede presentar las mejores características para este tipo de enganche. Lo que nos lleva a la idea de los codones del código genético.

Posible inicio de las diversas funciones del ARN según la teoría del biólogo Eörs Szathmáry (A partir del libro de John Maynard Smith “The major transitions in evolution”). En esta imagen las ribozimas, representadas por hexágonos, no ejercían función estructural, sino solamente la función de ayuda catalizadora.

En el proceso, representado en la figura anterior, nos encontramos ya con una ribozima (RZ1) catalizando un cofactor, la figura más ancestral de una enzima . Luego tenemos a un cofactor unido mediante pares de nucleótidos a una ribozima (RZ2), que ejerce una función de algo semejante a un ARN mensajero. En estas uniones nos encontramos con lo que probablemente serían tríadas de nucleótidos, una de las bases del código genético. Pero también podemos imaginar que este esquema podía repetirse de manera que se formara una cadena de varios aminoácidos, colateral a otra cadena de tripletes de nucleótidos, colateral a su vez a una tercera cadena, la de la ribozima.

Paso 3.   FORMACIÓN DE CADENAS DESUNIDAS DE AMINOÁCIDOS, TRIPLETES DE NUCLEÓTIDOS Y RIBOZIMAS

Otra ribozima (RZ3) debió catalizar la unión de los aminoácidos transformándolos en algo parecido a una primitiva cadena proteínica, de forma que, en primer lugar, la ribozima base ejercería la función de ARNm portador de la información; en segundo la cadena intermedia de nucleótidos formaría lo que puede considerarse un ancestro del ARNt de transferencia (interpreta la información del ARNm mensajero y la transforma en aminoácidos); y por fin las cadenas de aminoácidos catalizadas por la ribozima RZ3, antecedente del ribosoma, acabarían constituyendo oligopéptidos (proteínas o semejantes).

Paso 4.   UNIÓN DE LAS CADENAS FORMADAS EN EL PASO 3   —–>   FORMACIÓN DEL SOFTWARE GENÉTICO

El siguiente paso sería la reutilización de las cadenas de nucleótidos que quedarían libres tras el proceso. En este momento es cuando se debió diferenciar en la estructura del ribozima mensajero las fracciones que desarrollarán la “función gen”: algunas partes se comportarían mejor como mensajeros, perdiendo poco a poco su capacidad catalítica, mientras que otras partes seguirían con su función metabolizadora como enzima. Esta división aportaría ventajas en cuanto a la rapidez de la función enzimática y la reutilización de los mensajeros: el resultado pudo ser el inicio del ARNr (ribosómico) a partir de la ribozima RZ3.

La anterior hipótesis de Eörs Szathmáry puede ser plausible, aunque seguimos con incógnitas de las que desconocemos su solución: la duda se centra en el tamaño, ya que el ARNm es más largo que una ribozima y las proteínas son más largas que los oligopéptidos sintetizados en el proceso anterior.

Y ahora, una vez conocidas las bases generales de la genética a partir de lo dicho en esta entrada y en la anterior, pasaremos a analizar los principios universales de uno de sus principales subproductos, la herencia.

¿Por qué vamos a profundizar en las reglas de la herencia?

Precisamente por ser la base fundamental en el análisis de la evolución de las especies. La información genética de los padres se hereda. En el camino, los genes son intervenidos por múltiples factores externos que hacen que varíen, que añadan o que eliminen secuencias genéticas, resumiendo: que modifiquen el genotipo de los seres vivos. Y estas modificaciones heredadas son las que, conjuntamente con la presión ambiental, han conducido a la Vida desde la primera síntesis celular hasta la múltiple variedad de seres que conviven en la actualidad.

Las células se reproducen. De forma variada. Desde la solución más sencilla hasta seguir procesos más complejos. El objeto de la reproducción es, en definitiva, la continuidad de la cadena de cesión de información genética.

Reproducción por fisión binaria (Wikimedia, GNU FDL 1.2)

La solución más sencilla es “partirse por la mitad”, la fisión binaria, que es una forma asexuada de reproducirse adoptada por organismos muy elementales como las bacterias y algunas eucariotas unicelulares. Se duplica el material genético, se parte la membrana y el citoplasma, y se reparte todo en dos nuevos seres independientes. Este tipo de reproducción produce una tasa de crecimiento exponencial. Por ejemplo, bajo condiciones óptimas, la bacteria Escherichia coli se puede dividir una vez cada 20 minutos.

Las desarrolladas células eucariotas han optado por una división más compleja,  siguiendo dos necesidades fisiológicas. Por un lado, como componentes fundamentales de los organismos pluricelulares, precisan reemplazar células que han muerto o han perdido su funcionalidad, y así reparar los posibles daños del organismo al que pertenecen: en este caso deben hacer copias idénticas y situarlas en el lugar de las caídas en combate. Esto lo consiguen siguiendo el proceso de mitosis que se explica a continuación.

División por mitosis (Wikimedia, dominio público)

En la mitosis se generan dos células completamente idénticas a la madre y como hemos comentado es la base para el crecimiento y reparación de tejidos de un organismo complejo o bien la base de la reproducción asexuada. En el primer paso de la mitosis se produce la duplicación de los cromosomas. Inicialmente adoptan una forma semejante a un aspa con un punto central llamado centrómero. A la vez, se duplica un orgánulo del citoplasma que se llama centrosoma que es el que organiza el material del citoesqueleto celular, los microtúbulos. Los centrosomas duplicados tienen una forma de estrella con pelos que mientras van creciendo se desplazan cada uno hacia polos opuestos de la célula, generando una especie de huso de microtúbulos.

Fase intermedia de la mitosis.  Pueden verse los centrosomas ya separados y el huso, ambos en verde, al que ya están fijos los cromosomas  de color azul (Wikimedia, dominio público)

Posteriormente se desintegra la membrana nuclear quedando libres los cromosomas que se disponen en el plano ecuatorial de la célula. Allí se unen por su centrómero a uno de los microtúbulos del huso el cual va a actuar como cuerda tractora. Los centrosomas situados en los polos tiran de los cromosomas, que se dividen en dos, separando los dos juegos resultantes. Poco a poco los dos paquetes de cromosomas se van rodeando de una nueva membrana nuclear. Mientras, se va dividiendo también el citoplasma, tomando la célula una forma de cacahuete, hasta que finalmente se parte. Y así se consiguen dos nuevas células genéticamente clónicas. Etimológicamente mitosis viene del griego μιτον, “hebra” con el añadido de –sis, lo que quiere decir “en situación de, con aspecto de hebras”, en referencia al aspecto del huso.

Advertimos aquí que este procedimiento es el primer paso para la reproducción sexuada con transmisión de variedad genética. Esto se consigue a través del proceso llamado meiosis, que hace posible la existencia de células haploides que llevan la mitad de la dotación cromosómica de la especie a la que pertenece. De esta forma, tras el encuentro posterior de dos de este tipo de células, los gametos, se construirá una célula diploide completa con doble juego cromosómico.

División por meiosis. Obsérvese por el código de colores que hay intercambio de material genético entre cromosomas no homólogos (A partir de Wikimedia, dominio público)

Sin embargo, la meiosis es un proceso de división celular por el que una célula con dotación cromosómica doble (2n) experimenta dos divisiones sucesivas según un proceso de generación de huso y arrastre de cromosomas parecido al de la mitosis, con el resultado de generar cuatro células con un juego sencillo de cromosomas (n) cada una. En la primera división se duplican los cromosomas formando el aspa. En este estado, a diferencia de en la mitosis, cada pareja de aspas homólogas intercambian material genético por entrecruzamiento. Tras lo cual las parejas de aspas se ven sometidas a un proceso similar a la mitosis, generándose dos células con la mitad de los cromosomas, pero replicados en forma de aspa. En la segunda fase de la meiosis se completa otra mitosis partiéndose las aspas, apareciendo al final cuatro células haploides. Se comprende por tanto el significado etimológico de la palabra meiosis: del griego μείωσις , “disminución”.

Es importante hacer énfasis en lo que se dijo acerca de que en la primera fase del proceso de meiosis los cromosomas homólogos pueden entrecruzar sus genes (ver figura siguiente) por lo que el cromosoma heredado en el gameto casi con toda seguridad no tiene la misma secuencia de genes que en los cromosomas paternos o maternos originales. Eso ocurre físicamente porque los cromosomas paternos o maternos en la primera fase de sus meiosis se pueden tocar y solapar en parte, de forma que al dividirse se producen errores, ya que se unen fragmentos cromosómicos en donde no correspondería encontrarlos. Como si se barajase el material genético de cada par de cromosomas y se reconstruyeran de nuevo de forma aleatoria. El resultado es que en las células haploides hijas los cromosomas no tienen la misma información genética, no son clónicas, ni el mismo orden de genes que el de la cadena de la célula progenitora diploide.

Entrecruzamiento de dos cromosomas con intercambio de alelos, paso inicial de la meiosis 1

Con posterioridad, al juntarse los gametos masculinos y femeninos se reconstruyen las células diploides, emparejándose los cromosomas homólogos de ambos gametos. Disponen cada uno de la misma información genética que los padres respectivos pero diferentemente secuenciada y emparejada: el genotipo intrínseco es el mismo, pero el fenotipo, la futura manifestación externa del hijo, puede variar. En resumen, la meiosis es la solución que ha triunfado en los organismos más complejos a partir de la cual se producen gametos masculinos y femeninos, que con posterioridad se unen entremezclándo la dotación genética de las células progenitoras masculina y femenina. El resultado es la generación de un nuevo ser diploide con un acervo genético distinto al de los padres.

La primera persona que intuyó que en el proceso de la herencia había oculto algo parecido a lo comentado fue el monje agustino austriaco Gregor Mendel, que en el siglo XIX realizó una serie de ensayos con el entrecruzamiento de variedades de guisantes. Seleccionó siete características de estas plantas y vio la evolución de las mismas en las plantas hijas a través de diversas generaciones. Comprobó cómo se iban transmitiendo estas siete características de una generación a otra y con qué proporciones se repetían, desaparecían o se entremezclaban. Y sacó una serie de conclusiones[1] experimentales que podían resumirse en que cuando cruzaba dos variedades puras –no híbridas- de una misma especie, los descendientes eran todos iguales e idénticos a uno u otro progenitor. Además constató que al cruzar entre sí los híbridos de la segunda generación, sus descendientes se repartían entre cuatro fenotipos diferentes, uno el de su abuela, otro el de su abuelo y los dos restantes el de sus progenitores directos. Mendel también observó que algunas veces no pasaba lo anterior, ya que  rasgos diferentes eran heredados de forma independiente unos de otros, de forma que el patrón de cómo se heredaba un rasgo no afectaba al patrón de herencia del otro. Se podía heredar uno sólo, o el otro, o bien los dos, sin una norma exacta y repetitiva. Pero nunca supo por qué sucedía lo que él observaba.

Lo atribuyó a unos factores que serían algo así como entidades independientes en el proceso de la herencia. Unos, los dominantes, se repetían generación tras generación y otros, los recesivos, desparecían. Hoy sabemos que estos factores son los genes, y sus recombinaciones son consecuencia de la existencia de los dos alelos que codifican cada característica. Los alelos son cada una de las formas alternativas que puede tener un gen y que se encuentran en el mismo lugar físico de cada cromosoma de la pareja de homólogos.

Tras este rápido repaso sobre la genética y la herencia estamos ahora en condiciones de recuperar la biografía de la Vida, que la habíamos dejado en un punto en que se había conquistado el núcleo celular y la estrategia de la reproducción sexuada que le conducirá al final por un excitante y variado camino. En la próxima entrada avanzaremos a través  del siguiente salto evolutivo de los ocho fundamentales en la serie de John Maynard: el paso hacia la multicelularidad por la que la célula eucariota se asocia. Hasta entonces.

  1. Conocidas como las leyes de Mendel,  un  conjunto de reglas básicas sobre la transmisión por herencia genética de las características de los organismos padres a sus hijos. []

Sobre el autor:

jreguart ( )

 

{ 9 } Comentarios

  1. Gravatar Brigo | 28/09/2013 at 07:31 | Permalink

    Me da a mi que donde pone [ENLACE VIDA 13] falta un enlace :-)

  2. Gravatar jreguart | 28/09/2013 at 09:55 | Permalink

    Reparado y gracias Brigo

  3. Gravatar Macluskey | 29/09/2013 at 01:23 | Permalink

    Pero… ¡si había yo enlazado todos los enlaces necesarios! (o eso creía, glups).

    En fin, lo importante es el contenido del artículo y de la serie, que es realmente espectacular. ¡Y lo que queda!

    Gracias, Jaime, por desasnarnos.

  4. Gravatar Sergio B | 03/10/2013 at 01:24 | Permalink

    Excelente, como siempre. La verdad es que me perdido un poco asi que he tenido que darle un par de repasadas y acudir bastante a la wikipedia para enterarme un poco. Hay algo que habia notado en entradas anteriores, pero en esta se me ha hecho un poco mas intenso aun. La cuestion es que me imagino que es devido a lo complicadas que son las reacciones en este nivel, pero al principio me era facil entender que estabamos hablando de reacciones que ocurrian quimicamente, compuestos flotando entre otros muchos compuestos que se encuentran y reaccionan y no es uno sino muchos, ahora parece que hay cierta interaccion o voluntad y se me hace mas dificl entender que es lo que facilita esas reacciones. Quiero decir que en el nucleo hay una cadena de cromosomas esta se conmbian con otra cambiando alelos… como demonios pasa eso? Que proteinas ahi por ahi flotando que parten el alelo y por que se une con el otro?

    En fin, quiero decir que a lo mejor gente como yo, que llegamos a quimica organica para entender plasticos y ahi lo dejamos, llega un momento en que esto no parecen reacciones quimicas, sino la serie aquella era se una vez la vida, con hombrecillos ARN leyendo un libro y dandoselo al ARN mensajero para que lo lleve a la fabrica de proteinas. Que ojo, eso no quita que no opine que aprendo un monton de cosas y no quiero ni imaginarme cuan dificil sera explicarlo como digo para que me entere, pero por pedir que no sea o al menos a ver si pudieras recomendarme algo de biografia a ver si veo la luz. Gracias

  5. Gravatar jreguart | 05/10/2013 at 11:09 | Permalink

    Hola Sergio B.

    Lo que me comentas creo que sobrepasa mi humilde serie. Me satisface el ver que sirve para excitar la curiosidad pero no sé si te puedo aconsejar dónde puedes ampliar al nivel del detalle que “corroe tus neuronas”. Hace poco un buen amigo me recomendó una web de cursos online https://www.coursera.org/ de bastante interés. En particular tiene buena pinta este https://www.coursera.org/course/usefulgenetics que tiene una segunda parte https://www.coursera.org/course/usefulgenetics2. O bien este https://www.coursera.org/course/geneticsevolution. Son gratuitos. En el MIT hay cursos online también y gratuitos. Yo he seguido alguna clase y son muy interesantes: http://ocw.mit.edu/courses/

    Que te resulte útil.

  6. Gravatar a.giron | 06/10/2013 at 03:21 | Permalink

    Mi nivel de biologia y bioquimica tampoco sirve para contestarte sergio B, pero comparto contigo que cuesta mucho de asimilar las reacciones que ocurren a nivel celular. No es broma, da MIEDO ver lo que hacen algunas enzimas. La replicacion, por poner un ejemplo, ocurre a una velocidad pasmosa y es un proceso realmente complejo, participan varios enzimas y proteinas y noseque… y luego van y te sueltan que la propia ADN polimerasa CORRIGE errores que haya podido cometer… para que luego te digan que solo puede trabajar en un sentido, por lo que una de las dos cadenas la tiene que hacer a cachos en orden inverso! Que maldita broma es esta? xD

  7. Gravatar Sergio B | 07/10/2013 at 10:33 | Permalink

    Muchas gracias por la informacion jreguart, supongo que tendre que asistir a unas cuantas clases para calmar mi curiosidad, lo que no deja de tener mucho sentido. La verdad es que hace tiempo me habian recomendado esa pagina pero la habia perdido y no habia conseguido encontrarla de nuevo, asi que me ha alegrado mucho verla de nuevo, ya que hay mas cosas en las que tengo curiosidad.

  8. Gravatar Armen | 10/05/2018 at 06:46 | Permalink

    Te recomiendo la lectura del magnífico libro de Pier Luigi Luisi “La Vida Emergente” para que compruebes que lo que describes en “Una posible explicación del inicio del software genético” no es más que una hipótesis por ahora tan fabulosa como otras muchas.

  9. Gravatar jreguart | 12/05/2018 at 10:41 | Permalink

    Hola Armen,

    te contesto a tus dos comentarios anteriores. Lo primero gracias por tus aportaciones.

    Con respecto a la vida temprana sobre la Tierra hay muchísimas propuestas y hay que verlas con mucha precaución. Menciono algo al respecto en la entrada 09 de la serie “La Biografía de la Vida” [https://eltamiz.com/elcedazo/2013/07/21/la-biografia-de-la-vida-09-la-vida-en-el-arcaico/#footnote_6_22094] a lo que añadimos el interesante artículo que tu propones.

    Me acabo de comprar el libro que recomiendas. En este tipo de materias, de la química a la bioquímica, el libro que más me ha gustado es el siguiente: “What is Life? How Chemistry Becomes Biology” de Addy Pross.

    Con respecto a lo que dices “…no es más que una hipótesis por ahora tan fabulosa como otras muchas“, estoy de acuerdo que es una hipótesis más [ya ves como la titulo: "Una posible explicación del inicio del software genético”], aunque no la consideraría dentro de la clasificación de “fabulosa” en donde me parece que hay que archivar otro tipo de temas.

    Un saludo

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