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Antes de Scherichia
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Plinio Sosa

 La vida, al menos como la conocemos hoy en la Tierra, es el resultado de innumerables y complejos procesos químicos en los que intervienen principalmente tres tipos de moléculas gigantes capaces de transmitir información: las proteínas y dos ácidos nucleicos: el ácido ribonucleico (RNA, por sus siglas en inglés) y el ácido desoxirribonucleico (DNA, por sus siglas en inglés).

Las proteínas y los ácidos nucleicos son largas cadenas formadas por la unión de pequeños fragmentos —los aminoácidos para las proteínas y los nucleótidos para los ácidos nucleicos— que son capaces de autoreplicarse y de catalizar reacciones entre otras moléculas.

Es razonable suponer que estas sustancias son el producto de una cadena de reacciones químicas que empezó hace miles de millones de años. Es decir, que las primeras sustancias que existieron en la Tierra reaccionaron entre sí y las nuevas sustancias así obtenidas también sufrieron otras reacciones químicas y sus productos, a su vez nuevas reacciones, y así sucesivamente durante todo este tiempo tan increíblemente largo.

Sin embargo, la hipótesis de una evolución molecular prebiótica tiene sus bemoles...

¿El huevo o la gallina?

Nuestros cuerpos contienen un número enorme de sustancias diferentes. Es más, en una sola célula, puede haber miles y miles de sustancias. Y la gran mayoría de ellas las fabrica nuestro propio organismo. Los ácidos nucleicos y las proteínas también se sintetizan en el interior de nuestras células.

En la fabricación de las proteínas, los ácidos nucleicos son indispensables. Ellos portan la información de en qué orden se deben ir enlazando los aminoácidos de la nueva proteína. Paradójicamente, las proteínas también son indispensables en la replicación de los ácidos nucleicos. Es decir, se necesitan ácidos nucleicos para sintetizar proteínas. Y proteínas para producir ácidos nucleicos. No puede haber proteínas sin ácidos nucleicos. Ni éstos sin aquéllas.

Y entonces, ¿quién fue primero: el huevo o la gallina?

El tamaño del infierno

Independientemente de quién fue primero, explicar cómo se formaron los ácidos nucleicos y las proteínas en ausencia de la perfecta maquinaria de la vida, parece una empresa de grandes dimensiones. El problema no es simple: ¿cómo fabricar macromoléculas a partir de una mezcla de aminoácidos o de nucleótidos? O, dicho de otro modo, ¿cómo hizo un montón de ladrillos para erigirse en catedral?

Una polimerización al azar parece ser el mecanismo más simple. En el caso de las proteínas, los aminoácidos y sus derivados se unen fácilmente los unos con los otros (en el caso de los ácidos nucleicos, no se conoce ninguna reacción de formación prebiótica de los nucleótidos). Aunque no es fácil obtener largas cadenas, es razonable suponer que, después de un cierto tiempo, deberían aparecer largos polímeros de estructura totalmente aleatoria.

De cualquier modo, la implacable numerología de los orígenes de la vida nos impediría llegar demasiado lejos. Nuestras proteínas están constituidas por veinte aminoácidos diferentes. Por lo tanto, el número teórico de posibles cadenas de 100 fragmentos es de 20100 (20 x 20 x 20... ¡cien veces!). Este número es increíblemente grande. Para darnos una idea, la masa de las 20100 moléculas (una de cada tipo) sería superior a la masa del planeta Tierra. No sólo eso. El número es tan grande que la probabilidad de obtener 2 cadenas idénticas es casi nula.

La situación no sería más favorable si las primeras proteínas hubieran estado constituidas tan sólo por 10 o 6 aminoácidos. Tampoco es mejor la situación para el caso de los ácidos nucleicos que están constituidos solamente por cuatro tipos de nucleótidos diferentes. El código de una proteína de 100 aminoácidos, por poner un caso, necesitaría un ácido nucleico de 300 nucleótidos. Hay entonces 4300 posibilidades, es decir... ¡el infinito mismo!

Obviamente, el número de posibilidades sería mucho menor en la práctica puesto que el número de cadenas efectivamente polimerizadas estaría limitado, ya fuera por las velocidades de reacción, ya fuera por la cantidad de aminoácidos o de nucleótidos disponibles. Pero aún así, la probabilidad de obtener dos veces la misma cadena por polimerización al azar seguiría siendo casi nula.

¿Cómo hacer mentir estas previsiones tan pesimistas? La autorreplicación parece una solución. En efecto, si una molécula favorece la fabricación de copias de ella misma por un mecanismo autocatalítico, la formación de un solo ejemplar sería rápidamente seguida, gracias a su multiplicación, de la aparición de una población numerosa.

Desafortunadamente, este argumento no resiste la realidad de la química. En el caso más simple, una macromolécula que cataliza su propia replicación se debería doblar sobre sí misma de tal modo que mientras una de sus partes se estuviera replicando otras funcionaran como catalizador. Y viceversa. Además, este proceso debería permitir que los fragmentos, en la réplica, se dispusieran en el orden adecuado. La energía necesaria para que todo esto ocurriera sería tan grande que la reacción sería inconcebiblemente lenta. Entonces, la reacción tardaría tanto que antes de que la solitaria macromolécula terminara de replicarse... ¡ya se habría descompuesto!

Todos los mecanismos químicos basados en una sola molécula tropiezan con este cálculo elemental.

Los matraces del origen de la vida

Sin embargo, el panorama no es tan negro. Se tienen algunas pistas alentadoras. Hoy se sabe que estructuras análogas a la membrana de nuestras células se pueden formar espontáneamente en condiciones prebióticas. Moléculas muy simples, sintetizables en las condiciones que precedieron a la aparición de la vida, se pueden juntar en el agua y formar unas pequeñas vesículas.

La envoltura de estas vesículas está formada por sustancias cuyas moléculas (como las de los jabones) tienen un extremo soluble en agua (un grupo fosfato) y una larga cadena hidrocarbonada (un grupo poliprenilo) soluble en disolventes orgánicos. En el agua, estas moléculas se organizan espontáneamente en una doble capa. La configuración más estable de esta doble capa es la de una vesícula llena de agua donde los extremos solubles en agua, de una de las dos capas, están orientados hacia el exterior de la vesícula mientras que los de la otra capa están orientados hacia el interior.

Si a la mezcla donde se encuentran las vesículas, se agregan sustancias insolubles en agua, dichas sustancias se disuelven en la parte hidrofóbica de la membrana y ahí se van concentrando. Una vez que se encuentran cerca unas de otras y orientadas convenientemente, estas moléculas pueden reaccionar con relativa rapidez y formar, por ejemplo, pequeñas cadenas de aminoácidos.

Así, estas pequeñas vesículas no sólo podrían ser los ancestros de nuestras membranas celulares sino que también los buscados matraces en los que se formaron los precursores de las proteínas y los ácidos nucleicos.

Un mundo raro

El problema del huevo y la gallina, que alrededor de 1970 parecía no tener solución, ha sido resuelto progresivamente en los últimos veinte años. Actualmente, se sabe que una de las familias de ácidos nucleicos, el RNA, precedió a las otras macromoléculas. Durante un tiempo, estos RNA cumplieron solos la función que en la actualidad realizan por separado el DNA y las proteínas. En efecto, el RNA puede tanto transmitir información genética como catalizar reacciones químicas. A esa época en la que sólo existía RNA se le conoce como el Mundo del RNA.

Finalmente, el análisis de la estructura de los ribosomas, los organelos responsables de la síntesis de proteínas, ha mostrado que las proteínas fueron "inventadas" por el RNA. Luego serían las proteínas las que habrían inventado al DNA, inaugurando, de este modo, el "ménage a trois" que provocó la explosión de la vida en nuestro planeta.

La flecha de la catedral

Todavía se está lejos de poder ver la flecha de nuestra catedral. Sin embargo, se empieza a tener ideas más precisas sobre la forma en que fue construida.

Referencias

Luisi, P. La Recherche, 2000, (336) 25-29;

Ourisson, G., Dannenmuller, O., Désaubry, L., Nakatani, Y., Devienne, M. La Recherche, 2000, (336) 29-31;

Forterre, P. La Recherche, 2000, (336) 34-39

http://www.iesa.gob.mx/revista/13/default.htm

 

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