Biología molecular de Bacterias, Virus, Hongos y Parásitos Dra. Daniela Centrón Laboratorio de Investigaciones de los Mecanismos de Resistencia a Antibióticos Depto de Microbiología, Parasitología e Inmunología Facultad de Medicina Universidad de Buenos Aires CONICET

Transcripción reversa Dogma central Replicación ADN ARN PROTEINAS Transcripción Transcripción reversa Traducción

ORIGEN DE LA VIDA

ORIGEN DE LA VIDA Origen de la Tierra 4600 millones de años Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S Temperatura > 100°C

GENERACIÓN ESPONTÁNEA ¿Cómo comenzó la vida? GENERACIÓN ESPONTÁNEA En 1668 el médico italiano Francesco Redi refutó la hipótesis de los GUSANOS A PARTIR DE LA CARNE. A mediados del siglo XIX, Louis Pasteur en Francia y John Tyndall en Inglaterra refutaron la idea del CALDO QUE SE TRANSFORMA EN MICROORGANISMOS.

EVOLUCIÓN PREBIÓTICA ¿Cómo comenzó la vida? En 1920 y 1930, Alexander Oparin en Rusia y John B.S. Haldane en Inglaterra advirtieron que la atmósfera rica en oxígeno no habría permitido la formación espontánea de las complejas moléculas orgánicas necesarias para la vida. EVOLUCIÓN PREBIÓTICA

PRÁCTICAMENTE NO HABÍA OXÍGENO LIBRE HACE 4600 MILLONES DE AÑOS PRÁCTICAMENTE NO HABÍA OXÍGENO LIBRE

La energía cinética de los meteoritos se convertía en calor. Las rocas de la Tierra se fundieron, y los elementos más pesados como el hierro y el níquel, se hundieron hacia el centro del planeta Poco a poco la tierra se enfrió y los elementos se combinaron formando diferentes compuestos

La atmósfera y el clima primitivos gobernaron la evolución prebiótica Casi todo el oxígeno se combinó con hidrógeno para formar agua, con carbono para formar bióxido de carbono, o con elementos más pesados para formar minerales. Luego de millones de años, la tierra se enfrió lo suficiente para permitir la existencia de agua líquida. En la superficie, el agua disolvió muchos minerales y formó un océano salado.

Aparecieron moléculas orgánicas al cabo de unos días Se sintetizan moléculas orgánicas espontáneamente en condiciones prebióticas Aparecieron moléculas orgánicas al cabo de unos días En 1953, Stanley Miller, y otros investigadores produjeron aminoácidos, proteínas cortas, nucleótidos, trifosfato de adenosina, y otras moléculas características de los seres vivos en experimentos de laboratorio.

Which organic compounds could have occurred on the prebiotic earth? Cold Soring Harb. Symp. Quant. Biol. 52, 17-27 Miller, SL, 1987.

Las condiciones prebióticas habrían permitido la acumulación de moléculas orgánicas Habría habido un “caldo primigenio” dónde se habría generado una mayor concentración de sustancias,.

ORIGEN DE LA VIDA Origen de la tierra 4600 millones de años Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S Temperatura > 100°C Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN)

¿Fue el ARN la primera molécula autorreproductora? En la década de 1980, Thomas Cech y Sidney Altman descubrieron que el ARN, puede actuar como enzimas que catalizan reacciones celulares, entre ellas, la síntesis de más moléculas de ARN. Parece inevitable que, en cientos de millones de años los nucleótidos de ARN hayan formado cadenas cortas de ARN, algunas de las cuales se convertirían en ribozimas, que evolucionaron en rapidez y exactitud de replicación. En la década de 1980, Thomas Cech de la Universidad de Colorado y Sidney Altman de la Universidad de Yale descubrieron que ciertas moléculas pequeñas de ARN, llamadas ribozimas, actúan como enzimas que catalizan reacciones celulares, entre ellas, la síntesis de más moléculas de ARN.

Transcripción reversa serie compleja de etapas intermedias. Replicación ADN ARN PROTEINAS Transcripción Transcripción reversa Traducción La transición al moderno mecanismo de “ADN---ARN---Proteína” debió haber requerido una serie compleja de etapas intermedias.

ORIGEN DE LA VIDA Origen de la tierra 4600 millones de años Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S Temperatura > 100°C Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN) Célula moderna: ADN ARN Proteína Formación de protocélulas

Las protocélulas pudieron haber consistido en ribozimas encerradas en microesferas Los químicos han demostrado que si se agita agua que contenga proteínas y lípidos a modo de simular las olas que golpeaban contra las antiguas costas, se forman estructuras huecas llamadas microesferas. Las microesferas se asemejan a las células vivas: Tienen una membrana similar a la membrana celular. Absorben material de la solución. Crecen. Se dividen.

Protocélula Si una microesfera hubiera encerrado ribozimas, se habría formado algo parecido a una célula viva, a la que se llamaría protocélula. Dentro se habrían producido proteínas, y por difusión habrían entrado nucleótidos y aminoácidos necesarios para sintetizar nuevos ARN y proteínas. Cuando la microesfera creció lo suficiente, pudo haberse dividido, dando casi fin al camino hacia la evolución de las primeras células.

Pero, ¿acaso sucedió todo eso? Los investigadores discrepan en si la vida surgió en: Aguas estancadas. El mar. Películas de humedad sobre la superficie de trozos de arcilla o de pirita de hierro. Respiraderos muy calientes de las profundidades marinas. El espacio y luego llegó a la tierra.

¿Cómo eran los primeros organismos?

Árbol del dominio Bacteria Antiguas hipertermófilas progenote LOS PRIMEROS 500 AÑOS DE VIDA

Los primeros organismos eran procariotas anaerobios Las primeras células eran procariotas: Su material genético NO estaba separado del resto de la célula y encerrado en un núcleo envuelto en una membrana. Eran heterótrofos. Obtenían nutrimentos y energía probablemente absorbiendo moléculas orgánicas de su entorno. Su metabolismo era anaerobio

Hoy las podemos encontrar..... La Travertina es carbonato de calcio precipitado por las hipertermófilas en los manantiales cálidos (a más de 80ºC solo es debido a bacterias) del Parque Nacional de Yellowstone, USA

ORIGEN DE LA VIDA Origen de la tierra 4600 millones de años Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S Temperatura > 100°C Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN) Célula moderna: ADN ARN Proteína Formación de protocélulas Evidencia de vida microbiana en la Tierra primitiva (microfósiles: estromatolitos)

La vida comenzó durante la era precámbrica Los organismos fósiles más antiguos encontrados hasta ahora están en rocas precámbricas de 3400 millones de años de antigüedad. Los rastros químicos de rocas más antiguas han inducido a algunos paleontólogos a pensar que la vida es aún más antigua: quizá hasta 3900 millones de años.

PRIMEROS FÓSILES DE VIDA SOBRE LA TIERRA... ROCAS SEDIMENTARIAS PRODUCIDAS POR CIANOBACTERIAS....

ESTROMATOLITOS FÓSILES ARRECIFES DE ESTROMATOLITOS FÓSILES Actualmente se siguen formando en algunos sitios del planeta: Costa oeste de Australia Bahamas Mar Rojo Lagoa Salgada (RJ) en Brasil Salar de Llamara en Chile

Árbol del dominio Bacteria PRIMEROS FOSILES DE VIDA EN LA TIERRA

ORIGEN DE LA VIDA Origen de la tierra 4600 millones de años Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S Temperatura > 100°C Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN) Célula moderna: ADN ARN Proteína Formación de protocélulas Evidencia de vida microbiana en la Tierra primitiva (microfósiles: estromatolitos) Organismos fotosintetizadores

Al multiplicarse estas bacterias ancestrales consumieron las moléculas orgánicas sintetizadas prebióticamente. Sin embargo, el CO2 y el H2O eran abundantes al igual que la energía solar. Entonces, lo que faltaba eran moléculas energéticas, es decir, en las que se ha almacenado energía en enlaces químicos.

Algunos organismos adquirieron la capacidad de capturar energía solar Con el tiempo, algunas células adquirieron la capacidad de usar la energía solar para sintetizar moléculas complejas de alta energía a partir de moléculas más simples (fotosíntesis). Como la fotosíntesis necesita una fuente de hidrógeno, las primeras bacterias fotosintéticas probablemente usaron sulfuro de hidrógeno, y luego cuando éste se agotó, debieron comenzar a usar agua. .....PREVALECÍA LA FOTOSÍNTESIS BACTERIANA.....

CO2 + H2O ----------- CH2O (azúcar) +O2 La fotosíntesis introdujo cantidades importantes de O2 libre en la atmósfera por primera vez. Al principio el O2 se consumía rápidamente en reacciones con otras moléculas de la atmósfera y la corteza terrestre (Fe). Cuando todo el Fe accesible se transformó en herrumbre, la concentración de O2 libre comenzó a aumentar (hace 2200 millones de años-cianobacterias). Los niveles de O2 atmosférico aumentaron hasta alcanzar un nivel estable hace 1500 millones de años, y se mantiene casi constante hasta ahora. LUZ CO2 + H2O ----------- CH2O (azúcar) +O2 2H2S + CO2-------- CH2O (azúcar) +2S + H2O FOTOAUTÓTROFOS Y QUIMIOAUTÓTROFOS

Árbol del dominio Bacteria PRIMEROS AUTÓTROFOS

El metabolismo aeróbico surgió en respuesta a la crisis de oxígeno La acumulación de oxígeno en la atmósfera de la tierra primitiva PRODUJO LA PRIMERA EXTINCIÓN MASIVA SOBRE LA TIERRA y fomentó la evolución de mecanismos celulares para contrarrestar su toxicidad. La crisis de oxígeno también creó la presión ambiental para que las bacterias adquieran la aptitud de utilizar oxígeno en el metabolismo. Esto dio a las células aerobias una importante ventaja selectiva. ¿POR QUÉ?

Metabolismo energético CITOPLASMA 2 ATP FERMENTACIÓN CH2O (azúcar) ----------- Alcohol + CO2 + ATP o ácido MITOCONDRIA RESPIRACIÓN CH2O (azúcar) + O2 ----------- CO2+ H2O+ ATP 2 ATP 32-34 ATP

Árbol del dominio Bacteria RESPIRACIÓN AERÓBICA

ORIGEN DE LA VIDA Origen de la tierra 4600 millones de años Condiciones de la Tierra primitiva: CH4, CO2, N2 NH3 y muy poco O2 (ambiente reductor). Trazas de FeS y H2S Temperatura > 100°C Vida primitiva: ¿organismos con ARN? (sin ADN) Célula moderna: ADN ARN Proteína Formación de protocélulas Evidencia de vida microbiana en la Tierra primitiva (microfósiles: estromatolitos) Organismos fotosintetizadores Origen de eucariotas: teoría endosimbiótica

Teoría Endosimbiótica La hipótesis de los endosimbiotas,defendida principalmente por Lynn Margulis, de la Universidad de Massachusetts, propone que las células primitivas se hicieron de los precursores de las mitocondrias y los cloroplastos englobando ciertos tipos de bacterias (protobacteria aerobia y cianobacteria, respectivamente).

Las mitocondrias y los cloroplastos pudieron haber surgido a partir de bacterias englobadas Están encargados de suministrar la mayor parte de la energía necesaria para la actividad celular; Sintetizan ATP por medio de la fosforilación oxidativa. MITOCONDRIAS VISTAS AL MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE TRANSMISIÓN

Microsporidia y Giardia: carecen de mitocondria, son parásitos obligados, tienen genoma un poco mayor que los procariotas.

La amiba Pelomyxa palustris carece de mitocondrias, pero alberga una población permanente de bacterias aerobias que desempeñan un papel muy similar.

El origen del núcleo es más enigmático Una posibilidad es que la membrana plasmática se haya plegado hacia adentro para rodear el ADN. Otra hipótesis es que surgió como resultado de una endosimbiosis. Cualquiera que haya sido el origen del núcleo, el hecho de tener el ADN dentro de él, parece haber conferido grandes ventajas, quizá al permitir una regulación más fina del material genético.