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II
Hablemos de biología
Andrés Moreira
Departamento de Informática UTFSM
¿Qué es la biología?
Ok. La ciencia que estudia la vida. O “las cosas vivas”.
Detengámonos en lo primero: es una ciencia.
En rigor, ni la matemática ni la informática lo son.
•impera el método científico
•las teorías son “ciertas” sólo hasta nuevo aviso
•pueden haber explicaciones alternativas, ambas válidas
•el árbitro es la naturaleza
¿Qué es la biología?
Método científico:
•Plantear el problema
•Crear una hipótesis
•Diseñar un test para poner a prueba la hipótesis
•Recoger datos y analizarlos
•Sacar una conclusión
•Goto 1
¿Qué es la biología?
Además, trata con el “mundo real”, no con objetos
abstractos.
Ergo:
•Todo (o casi casi todo) tiene excepciones
•Todo problema está conectado a otros problemas
•Todo fenómeno tiene componentes que no son locales
David B. Searls, Grand Challenges in
Computational Biology, 1998
¿Qué es la biología?
Otros alcances sobre la biología, las ciencias y
demases, aparecerán sobre la marcha en el curso.
Pero vaya desde ya una advertencia:
Es recomendable tenerle respeto a la biología, y a
los biólogos (muchas cosas que parecen triviales, no
lo son).
¿Y qué es la vida?
La biología estudia “la vida”. ¿Qué es eso?
No es trivial definir “vida”.
Dos aproximaciones:
ver qué cosas en común tienen los objetos que
conocemos y llamamos “vivos”
tratar de aislar lo esencial del concepto abstracto
Ambas tienen sus peros. Pero lo que está bastante
descartado es que haya algún tipo de “sustancia” o
“espíritu” esencial.
¿Y qué es la vida?
Lo más común es pedir una lista de condiciones:
-homeostasis (autoregulación del interior)
-metabolismo (consumo de energía)
-organización (compuesto de partes
interdependientes)
-crecimiento
-respuesta a estímulos
-reproducción
-adaptación (evolución)
Problema: ¿se deben pedir todas? ¿Qué pasa con
una mula, infértil? ¿Con el fuego? ¿Con los virus?
¿Y qué es la vida?
Mirando los organismos que conocemos, se podría
agregar:
-composición basada en carbono y agua
-organización basada en células
-información almacenada en ácidos nucléicos,
codificada según el código genético universal
Problema: Marte. O vida artificial. ...etc, etc.
Sería preferible una caracterización
abstracta de la vida como un tipo de proceso.
¿Y qué es la vida?
Erwin Schrödinger (en su influyente ensayo
What is life?, 1944) puso énfasis en el
consumo de “entropía negativa” (energía
libre) que hacen los seres vivos. Revierten
(localmente) la 2da. ley de la termodinámica,
gracias a ser sistemas abiertos.
Hasta el día
de hoy es una
perspectiva
fértil.
¿Y qué es la vida?
Otra aproximación es a través del
concepto de autopoiesis, de Francisco
Varela y Humberto Maturana (1973).
“Un sistema autopoiético está organizado como una red de procesos de
producción (síntesis y destrucción) de componentes, de forma tal que estos
componentes (i) se regeneran continuamente e integran la red de
transformaciones que los produjo, y (ii) constituyen al sistema como una
unidad distinguible en su dominio de existencia.”
Básicamente, un sistema compuesto por partes, que genera
y mantiene sus propios componentes y sus relaciones.
¿Y qué es la vida?
Varela enfatizaba lo de “unidad
distinguible”; el sistema debe generar y
mantener su “frontera” que lo define:
“[Cells] ... create a boundary, a membrane, which constrains
the network that has produced the constituents of the
membrane. This is a logical bootstrap, a loop [...]. This
bootstrap is precisely what's unique about cells. A selfdistinguishing entity exists when the bootstrap is completed.
This entity has produced its own boundary. [...] It bootstraps
itself out of a soup of chemistry and physics.”
En otro punto dice que “un sistema físico
está vivo cuando es capaz de transformar
materia/energía externa en un proceso
de automantención y autogeneración”.
¿Y qué es la vida?
Stuart Kauffman (al menos en Investigations, 2000) da
una definición “sistémica” que recoge elementos de las
anteriores:
Un sistema vivo sería un ente
“autónomo, capaz de reproducirse, y
de completar al menos un ciclo de
trabajo termodinámico.”
¿Con qué definición nos quedaremos?
En realidad no importa mucho para este curso. Pero es
un tema (filosófico, ético, y también científico).
Para interesados,
http://en.citizendium.org/wiki/Life
Células
Volvamos a los seres vivos que conocemos.
En el siglo XVII Robert Hooke acuñó el
termino de “célula” (en realidad, “cell”), tras
ver una estructura al parecer elemental en los
tejidos del corcho.
Por la misma época Antony
van Leeuwenhoek descubrió
los “animálculos”; observó
glóbulos rojos y protozoos.
Por primera vez, se veían
células vivas.
Células
En 1838 Mathias Schleiden establece
que todos los tejidos vegetales están
formados por células.
En 1839, Theodor Schwann establece lo mismo para
los tejidos animales, y propuso una base celular para
toda la vida.
En 1858 Rudolf Virchow, estudiando cánceres,
concluye que las células nacen de células
preexistentes (“Omnis cellula e cellula”).
Células
Con eso queda establecida la “teoría celular”:
•Todos los seres vivos están hechos de células (que
eventualmente puede ser una sola).
•La célula es la estructura básica, de estructura y función.
•Las células nuevas nacen de células anteriores.
Más adelante se agregó otro item:
El material hereditario pasa de la
célula madre a las células hijas.
Células
Durante este curso, casi todo proceso
del que hablemos ocurre dentro de una
célula. Es la unidad protagónica.
Por lo demás, una célula individual satisface las
condiciones que se piden para definir “vida”. Sus
partes, en cambio, ya no.
Todas las células convierten energía de una forma a otra, reaccionan a
su medio ambiente y se reproducen. El metabolismo ocurre en las células.
Todas las células están rodeadas por una membrana plasmática que
separa el contenido celular del medio ambiente.
Todas las células contienen DNA como depósito de la información
genética y lo utilizan como guía para la síntesis de proteínas.
Células
Todas las células tienen básicamente la misma
bioquímica; también comparten los mismos
mecanismos de codificación genética.
Hay básicamente dos tipos principales, eucariotas
y procariotas.
Las procariotas son más simples, y más pequeñas
(entre 0.5 y 5 m de diámetro); las eucariotas
típicamente están entre 5 y 100 m (pero existen
algunas gigantes, como los huevos).
Células
procariota
eucariota animal
eucariota vegetal
Moléculas
Ok. ¿Y de qué están hechas las células? De moléculas.
Grandes (como el DNA) o chicas (como la glucosa).
Aparte del agua (abundante y esencial), la gran mayoría
son moléculas orgánicas, con un esqueleto de carbono y
algunos átomos de hidrógeno.
Por lo general una molécula biológica aislada mantiene su
forma; algunas contienen articulaciones que permiten
movimientos de sus partes.
Moléculas
A la “columna vertebral” de carbono
se unen grupos de átomos, llamados
grupos funcionales, que determinan
las características y la reactividad
química de las moléculas:
Carbono
Hidrógeno
Hidroxilo
Carboxilo
Amino
Fosfato
Metilo
-H
-OH
-COOH
-NH2
-H2PO4
-CH3
Moléculas
Hay cuatro tipos de macromoléculas
biológicas:
•Carbohidratos
•Lípidos
•Proteínas
•Ácidos nucléicos
En cada caso, las moléculas grandes
son polímeros, cadenas largas
formadas a partir de monómeros.
Moléculas: carbohidratos
Carbohidratos: Normalmente contienen carbono,
oxígeno e hidrógeno y su fórmula aproximada es
(CH2O)n. Almacenan y transportan energía, y
también tienen funciones estructurales.
Hay monosacáridos
(como la glucosa),
disacáridos (como la
sacarosa) y
polisacáridos (como el
almidón y la celulosa).
Moléculas: carbohidratos
Moléculas: lípidos
Lípidos: contienen una alta proporción de carbono e
hidrógeno; también almacenan energía, y gracias a
no ser solubles en agua, tienen funciones
estructurales en las membranas (entre otros roles).
El monómero en este caso son los ácidos grasos.
Moléculas: proteínas
Proteínas: son las moléculas más
abundantes en las células, están en
todos los lugares de la célula, y cumplen
funciones fundamentales: estructurales,
regulatorias, enzimáticas, hormonales,
de transporte, inmunológicas, etc etc.
El monómero en este caso son los
aminoácidos, compuestos simples
que vienen en 20 tipos distintos, y
siguen un mismo esquema general.
Moléculas: proteínas
Clases:
dentro de una
misma clase, los
aminoácidos
suelen ser
intercambiables
(o sea, su
reemplazo no le
cambia la forma
a la proteína).
Moléculas: proteínas
Los aminoácidos se unen a través del “enlace
peptídico”. A una cadena “corta” (menos de 50) se
le llama péptido. De ahí para arriba, proteína.
Moléculas: proteínas
Como hemos mencionado antes, la forma en que se
dobla una proteína es clave para su función.
Moléculas: ácidos nucléicos
En los ácidos nucléicos los monómeros son nucleótidos,
formados por un grupo fosfato, un azúcar (ribosa o
desoxirribosa), y una base nitrogenada (que da la
“letra”, A,C,G,T).
Moléculas: ácidos nucléicos
Hay nucleótidos individuales
importantes, como el ATP
(adenosintrifosfato), que es el
principal transportador de energía
a corto plazo dentro de la célula.
Pero más famosos aún son
los polímeros, DNA y RNA.
Moléculas: ácidos nucléicos
Los nucleótidos en el DNA son 4:
adenina, citosina, guanina y timina
(que dan el alfabeto, A,C,G,T).
El azúcar en el DNA es
desoxirribosa.
En el RNA, el azúcar es ribosa, y la
timina se reemplaza por uracilo (así
que la T cambia a U).
Moléculas: ácidos nucléicos
James Watson y Francis
Crick, en 1953, determinaron
la estructura del DNA.
Los cuatro tipos de
nucleótidos se ordenan en
pares (A con T, C con G), que
forman puentes de hidrógeno
entre sí. Son los peldaños de
la doble hélice.
Moléculas: ácidos nucléicos
La hebra de cada hélice se forma por un enlace entre
el fosfato de un nucleótido y el azúcar de la siguiente.
Ojo: Esto le da una dirección a las hebras!
Origen
¿Y de dónde salieron todas estas cosas? Es un tema
sobre el que también ha corrido mucha tinta.
Hoy en día, para
hacer RNA y DNA se
usan proteínas
...y para hacer
proteínas se usan
RNA y DNA...
Origen
Las dificultades son varias:
-No hay claridad sobre
el lugar donde el
“experimento” se llevó
a cabo
(Playas? “A warm little pond”?
Profundidades del mar? Hielos?
Otro planeta?)
Tampoco hay certeza sobre la composición de la
atmósfera en la época .
Otro problema: las moléculas no dejan fósiles (y los
microorganismos por lo general tampoco).
Origen
4400 millones de años atrás: se forma la corteza
3900 m.a.a.: el planeta tuvo condiciones como para
soportar vida (el agua empezó a condensarse en
océanos)
3800 m.a.a.: se ha encontrado carbono de probable
origen orgánico
3500 m.a.a.: bacterias fósiles
Ergo, fue relativamente rápido: la vida apareció poco
después de que la Tierra se enfrió lo suficiente.
Origen
¿De dónde salió la materia prima?
Miller & Urey, 1953: simularon
condiciones de la atmósfera primitiva
y aplicaron chispas eléctricas.
Obtuvieron azúcares, lípidos, y 13
tipos de aminoácidos.
Experimentos posteriores han obtenido
también ácidos nucléicos (y más
aminoácidos, y polipéptidos, y ATP, etc.).
Origen
Otros ingredientes de la sopa
pudieron llegar desde el espacio (cada
vez se detectan más compuestos
orgánicos en polvo interestelar).
Un requisito para la interacción es
que los materiales se hayan
acumulado; esto pudo ser sobre la
arcilla de la costa, o en el fondo
marino.
Se ha hablado de “pizza primitiva” (o “sandwich”),
pensando en acumulación casi bidimensional.
Origen
•Algunos piensan (e.g., Stuart Kauffman) que con una
química suficientemente rica, es casi inevitable que se
forme una red autocatalítica de reacciones (algo así
como autopoiesis, pero sin frontera).
"We propose that the only absolute requirements [for life] are a
thermodynamic disequilibrium and temperatures consistent with
chemical bonding.“
Steven A. Benner et al. , Curr. Op. in Chem. Biol., 2004
Origen
La existencia de compartimientos es importante, no
sólo para cumplir con la “frontera” de Varela, sino
también para permitir competencia (Darwin!), y para
tener (proto)células.
Una idea es que la pizza fue sobre arcilla. La arcilla
pudo proveer:
•una superficie de acumulación
•compartimentación
•capacidad catalítica
Origen
Los lípidos forman espontáneamente “proto-células”,
capaces de:
•absorber material circundante
•crecer
•fisionarse
Además, se parecen a las membranas celulares actuales
pudieron proveer gratis las primeras membranas.
Posibles mecanismos sobran; el problema es más bien
decidir cuál fue el que se dio. Y demostrar que funciona.
RNA World
La visión más popular hoy en día:
“RNA World”.
•En 1982 Thomas Cech descubrió que el
RNA puede actuar como catalizador.
•Hoy se conocen numerosas
“ribozimas”, incluido el propio ribosoma
(la fábrica de proteínas en las células).
Por lo tanto, el huevo pudo “poner huevos”. Catalizar
y además transmitir información.
X
RNA World
•Un “mundo de RNA” habría
precedido al del DNA y las proteínas.
•Los vestigios estarían a la vista en el
tRNA, el ribosoma, las ribozimas.
•Es poco probable que haya sido una
sola molécula autorreplicadora. Más
bien un colectivo.
•Se ha hecho evolución de RNA en
laboratorios, buscando autocatálisis.
Cualquier día de estos...
Código genético
Una herramienta de
investigación, pero a la vez
tema (y discutido), es el
origen del código genético.
En él podría estar escrita
la historia de la
maquinaria fundamental.
A
A
C
G
U
0
1
2
3
16
17
18
19
32
33
34
35
48
49
50
51
AAA
AAC
AAG
AAU
CAA
CAC
CAG
CAU
GAA
GAC
GAG
GAU
UAA
UAC
UAG
UAU
C
K
N
K
N
Q
H
Q
H
E
D
E
D
STOP
Y
STOP
Y
4
5
6
7
20
21
22
23
36
37
38
39
52
53
54
55
ACA
ACC
ACG
ACU
CCA
CCC
CCG
CCU
GCA
GCC
GCG
GCU
UCA
UCC
UCG
UCU
G
T
T
T
T
P
P
P
P
A
A
A
A
S
S
S
S
8
9
10
11
24
25
26
27
40
41
42
43
56
57
58
59
AGA
AGC
AGG
AGU
CGA
CGC
CGG
CGU
GGA
GGC
GGG
GGU
UGA
UGC
UGG
UGU
¿De dónde salió? Principales ideas:
•“Accidente congelado” (no habría motivo)
•Relaciones estereoquímicas (entre aminoácidos y codones)
•Selección entre códigos (sería óptimo, bajo algún criterio)
•Desarrollo progresivo a partir de un código más simple.
...o combinaciones.
U
R
S
R
S
R
R
R
R
G
G
G
G
STOP
C
W
C
12
13
14
15
28
29
30
31
44
45
46
47
60
61
62
63
AUA
AUC
AUG
AUU
CUA
CUC
CUG
CUU
GUA
GUC
GUG
GUU
UUA
UUC
UUG
UUU
I
I
M
I
L
L
L
L
V
V
V/M
V
L
F
L
F
Origen
¿Y después, qué?
 evolución!
“Nothing in biology makes sense except in the light of evolution”
Theodosius Dobzhansky
Especies y taxonomía
La evolución generó el “árbol de la vida”, el árbol
familiar que incluye que incluye a todos los seres vivos
del planeta.
Las hojas de ese árbol son las especies.
Definir “especie” es menos trivial de lo que parece; el
criterio básico lo enunció Cuvier (~1800) y es:
grupo de organismos capaces de reproducirse entre
si y tener descendencia fértil.
Especies y taxonomía
Eso tiene problemas:
•Fósiles
•Casos límite
•Organismos asexuados (por ejemplo, bacterias)
Se han propuesto otras definiciones y el tema sigue
activo (es otro de esos temas).
Ver http://scienceblogs.com/evolvingthoughts/2006/10/a_list_of_26_species_concepts.php
para 26 definiciones alternativas.
Especies y taxonomía
A las especies se las agrupa
(clásicamente) en géneros,
familias, órdenes, clases, phylums,
reinos...
Durante siglos se usaron
características comunes
(esqueleto, mecanismos
reproductivos, etc.) para
clasificar.
Taxonomía e historia de la vida
Después de Darwin (que postula que
existe ascendencia común), y más aún
después de la biología molecular (que lo
confirma), se busca que la clasificación
refleje el “árbol familiar”.
Lo propone formalmente
Julian Huxley en 1940 (“La
Nueva Sistemática”).
Taxonomía e historia de la vida
La “cladística” busca que todas las categorías taxonómicas
(“taxones”) correspondan a “ramas” del árbol.
Se llama “clado” (clade) al conjunto de una especie ancestral y
todos sus descendientes. También se llama a eso un grupo
monofilético.
Hay más de una forma de no cumplir eso:
Los reptiles son “parafiléticos”
Los vertebrados de sangre
caliente son “polifiléticos”
Taxonomía e historia de la vida
Había que incluir a los seres unicelulares. Se les dividió
en “moneras” y “protistas”, de acuerdo a su nivel de
organización celular (monera es lo que hoy llamamos
procariota).
Taxonomía e historia de la vida
“Monera” (procariotas)
Protistas (más tarde se
agregó a las algas)
Taxonomía e historia de la vida
hongos
plantas
animales
Taxonomía e historia de la vida
El esquema de cinco
reinos sigue apareciendo
en los textos escolares.
Y el orden evolutivo se
vería algo así 
Taxonomía e historia de la vida
Sin embargo, en los años 70 Carl Woese notó que las
diferencias entre cierto grupo de bacterias (Archaea)
y las demás (Bacteria) eran demasiadas. Pese a mucha
oposición, se aceptó la idea durante los ’80. Surgió la
clasificación de tres “dominios” (1990).
Taxonomía e historia de la vida
Las arqueas suelen ser
“extremófilas”: demasiado calor,
frío, PH, sal, etc... (aunque también
se pueden encontrar en lugares
más hospitalarios). Muchas son
anaeróbicas (el oxigeno las mata).
Se pensó que eran más primitivas que las
bacterias (por eso “archaea”), pero pronto
se puso en duda: en muchos genes (en
particular rRNA, más confiable) se parecen
más a los eucariotas que a las bacterias.
Taxonomía e historia de la vida
Se pensó
entonces
en esto...
(con cierta discusión sobre quién queda más cerca de la raíz)
(y por ende “procariota” es sólo descriptivo, no es un clado)
Taxonomía e historia de la vida
Con la salvedad de que los eucariotas han
tomado “prestadas” células procariotas que
antes eran independientes.
(Lynn Margulisteoría endosimbiótica, 1966.
Rechazada por 15 revistas).
Taxonomía e historia de la vida
Los virus. ¿Dónde calzan en la
historia?
•Alguna vez se pensó que eran
“bacterias degradadas” (que
habían ido perdiendo partes
hasta quedarse con lo esencial
para infectar).
Taxonomía e historia de la vida
•Luego, “DNA (o RNA) fugitivo”: genes saltarines que
aprendieron trucos extras. Los retroviruses (que se
copian en el genoma infectado) son casi un caso límite;
no difieren mucho de los transposons propios del
genoma.
•Pero también puede que estén dando vueltas desde el
mundo del RNA: serían descendientes de RNA que nunca
entró a una “sociedad celular”.
...Pero como esto es biología, la
respuesta puede ser “todas las
anteriores”.
Taxonomía e historia de la vida
La cosa se complica aún más por culpa de la
transferencia horizontal de genes: genes “saltarines”.
Se sabe que hoy ocurre mucho entre bacterias, e
incluso entre animales, plantas, etc..
En los viejos tiempos, debió ocurrir mucho más.
Así que los análisis que comparan genes, nos dan la
historia familiar del gen, no de las especies!
Taxonomía e historia de la vida
!
Taxonomía e historia de la vida
Nótese que la figura pone abajo una “comunidad
ancestral de células primitivas”.
Esto es un cambio respecto a lo tradicional, que
ponía a LUCA (el hipotético “Last Universal
Common Ancestor”).
Taxonomía e historia de la vida
Es la propuesta de Carl Woese (PNAS,
2002, “On the evolution of cells”):
•Al principio la transferencia
horizontal era el principal mecanismo
de evolución.
•Sólo a partir de cierto nivel de complejidad empezó
a dominar la herencia “vertical” (por reproducción) y
comenzó el “interludio darwiniano”.
•Arqueas, bacterias y eucariotas habrían salido de
ahí en distintos momentos.