Lynn Margulis - Los inicios de la vida

Como el DNA y el RNA, las proteínas son polímeros, cadenas formadas por unidades más pequeñas. En las proteínas, las unidades son aminoácidos, unos compuestos orgánicos de nitrógeno. Con tan solo unos veinte aminoácidos diferentes, unidos en cadenas que pueden contener desde diez o doce unidades hasta unos cuantos centenares se forman las proteínas de todos los organismos conocidos de la Tierra. Las moléculas de proteínas están formadas por unas o más cadenas de aminoácidos enrolladas y dobladas en una forma tal que determina su función. Dicha forma depende básicamente de la propia secuencia de aminoácidos, aunque también influye la presencia de otras moléculas. Cualquier célula viva sintetiza cada cadena disponiendo los aminoácidos en una secuencia que está determinada de manera exacta por uno de sus genes (figura 1.5). El código para convertir la secuencia de bases del DNA en una secuencia de aminoácidos para formar proteínas es prácticamente universal; una secuencia de bases determinada se convierte en la misma secuencia de aminoácidos en casi todos los organismos.

La réplica del DNA que pasa de los padres a la descendencia, aunque es crucial para el desarrollo del individuo, no es suficiente para asegurar cambios evolutivos: tiene que haber también alguna fuente de variación. Si la réplica fuese siempre exacta, las células de la siguiente generación serían siempre duplicados exactos de las células progenitoras. En ese caso, si las condiciones ambientales cambiasen de manera que el tipo del progenitor no fuese adecuado para autorreplicarse, aquel organismo que se tendría que reproducir moriría sin dejar descendencia. Entre los organismos sexuados (los que tienen dos progenitores), las variaciones provienen en su mayor parte de la combinación del material genético de los progenitores porque la descendencia recibe la mitad de sus genes de un progenitor y la otra mitad, del otro. En el capítulo 5 describiremos la evolución de las estrategias sexuales de los eucariotas primitivos. En la reproducción de los procariotas no es necesario un intercambio sexual; los cambios suelen ser el resultado de una mutación, de un cambio hereditario en la secuencia de las bases de una molécula de dna, de la transferencia de genes de una bacteria a otra en una sola dirección o de la duplicación de los genes.

Figura 1.5 Esquema de la síntesis de proteínas en una célula. Primero, una tira de DNA produce una cadena complementaria de RNA mensajero (mRNA), mediante un proceso parecido a la duplicación del DNA (véase la figura 1.4). Los aminoácidos forman, entonces, cadenas de ribosomas, unos cuerpos esféricos con una especie de corona, hechos de rRNA (RNA ribosómico) y proteínas. Cada ribosoma se une al extremo libre de una hebra de mRNA y empieza a moverse a lo largo de la hebra y lee los tres nucleótidos al mismo tiempo (cada triplete codifica una molécula de aminoácido), y une los aminoácidos indicados formando con ellos una cadena. Los aminoácidos son transportados al ribosoma por las moléculas de tRNA (RNA de transferencia), de las que hay varios tipos, para cada uno de los veinte aminoácidos diferentes que forman las proteínas.

Las mutaciones se deben a un error en el proceso de replicación (la sustitución de una base por la eliminación de unas o más bases). A menudo, estos errores son el resultado de un daño causado en la molécula de DNA por la acción de los rayos X, las radiaciones ultravioleta o determinados productos químicos. Sin embargo, en algunas ocasiones, se producen mutaciones beneficiosas; como estas alteraciones perduran, podrán ser duplicadas.

Desde el punto de vista evolutivo, no son los individuos sino las poblaciones de organismos las que cambian. Lo hacen respondiendo a los cambios ambientales o dejando cada vez menos descendencia hasta que finalmente se extinguen. No habría espacio suficiente en la Tierra, ni los recursos nutritivos necesarios, si toda la descendencia de los organismos conocidos sobreviviera y se reprodujese. Los organismos capaces de sobrevivir y de reproducirse en un momento determinado y en un lugar concreto dejan más supervivientes, más descendencia que se parece a ellos mismos. Algunos genes, los que heredan los supervivientes, continúan transmitiéndose a las siguientes generaciones y otros se pierden. Esta ley inexorable de la evolución darwiniana tiene el objetivo de preservar y cambiar todas las formas de vida: tanto las poblaciones actuales de plantas y animales actuales como las más antiguas poblaciones de microorganismos.

Para crecer, reproducirse y llevar a cabo todos los otros procesos de la vida, todos los organismos necesitan energía y materias primas. Los heterótrofos lo consiguen mediante la alimentación. La transformación química del alimento en energía se produce en el interior de las células. En pocas palabras: una molécula de alimento se descompone mediante una serie de reacciones químicas mediadas por enzimas. La energía obtenida en estas reacciones se utiliza para generar unas moléculas particularmente ricas en energía que actúan como dadores inmediatos de energía a las células. Una de las principales moléculas entre las ricas en energía es el trifosfato de adenosina (ATP). Todos los organismos vivos producen ATP, que es la principal fuente de energía disponible para realizar la mayor parte de las funciones celulares.

Una mirada a la estructura de una molécula de ATP nos da una buena pista a propósito de su función como portadora de energía. La molécula está formada por tres tipos de constituyentes: una base nitrogenada (la adenina), un azúcar (la ribosa) y una secuencia de tres grupos fosfato (figura 1.6). En determinadas condiciones, los otros grupos de fosfato de la molécula de ATP se separan. Como los enlaces que unen los dos grupos de fosfato externos a la molécula son enlaces ricos en energía, la rotura del ATP genera una enorme cantidad de energía aprovechable. En las reacciones químicas que se producen en el interior de la célula, el grupo fosfato, además de separarse es transferido, con toda su energía, a otra molécula. Esta molécula activada puede reaccionar entonces con otras moléculas y cuando lo hace libera el grupo fosfato. Cuando se somete a hidrólisis, el ATP libera una cierta cantidad de energía intermedia que puede ser utilizada para llevar a cabo reacciones celulares que consumen una cantidad moderada de energía; pero a menudo también puede estar formado por una cierta cantidad de moléculas con más energía que la convierten, así, en moneda de cambio energética. La eliminación de un grupo fosfato del ATP produce difosfato de adenosina (ADP), una molécula menos energética; la transferencia de dos grupos fosfato produce monofosfato de adenosina (AMP). (El grupo fosfato interior está unido a la molécula mediante un fuerte enlace que no se rompe fácilmente.) En el proceso inverso, si se añaden uno o dos grupos de fosfato al AMP se restauran las moléculas ricas en energía, ADP o ATP.

Para su automantenimiento, las células necesitan una aportación continua de energía, por eso tienen que renovar continuamente su reserva de ATP. Las células han desarrollado cuatro maneras básicas de generar ATP, que se llaman modos metabólicos. Son la fermentación, la respiración, la quimiotrofia y las reacciones lumínicas o fotosíntesis. En los capítulos 2 y 3 se describen estos cuatro modos y su funcionamiento. Cuando se originaron las vías de generación de ATP ya quedaron fijadas para siempre. Uno de los rasgos más reveladores y más interesantes puestos al descubierto por la biología molecular es el conservadurismo extremo de los sistemas metabólicos. No sólo se han conservado los genes individuales y las proteínas que producen, sino que algunas vías metabólicas han persistido durante eones. Los organismos sólo han añadido nuevas propiedades a los sistemas metabólicos mediante ligeras modificaciones. La fermentación, la respiración, la quimiotrofia y la fototrofia, que aparecieron en los procariotas hace más de 3.000 millones de años, siguen siendo hoy en día los métodos de generación de ATP por parte de los seres vivos. Las enzimas que catalizan estas reacciones también son antiguas; y estudios actuales demuestran que las funciones de estas enzimas han cambiado muy poco desde que aparecieron en los procariotas primitivos.