1.- El planeta tierra.-
La superficie sólida del globo terráqueo, es muy fina si se la compara con el radio terrestre.-
La fosa de las Marianas en el océano Pacífico, tiene una profundidad desde el nivel del mar, de 11 kilómetros y probablemente desde allí a los 3 a 5 kilómetros más, ya hay magma fundido, con lo que se completa unos 15 a 20 kilómetros.-
El radio terrestre tiene unos 15000 kilómetros, por lo cual el espesor mas o menos sólido es de 0.1% o sea uno por mil; como se ve, es una capa relativamente muy fina.-
El calor interno del planeta, varía desde miles de grados en el núcleo a 1000 o 1500 próximo a la superficie, donde aún hay capas de magma fundido o en estado similar, el que en algunas partes aflora por grietas o volcanes, para enseguida enfriarse a la misma temperatura de la superficie terrestre donde está comprendida desde algo menos de 0 grados a 50,segun sea el lugar donde se vierte la lava.-
Actualmente la mayor parte de la superficie terrestre, en mares y océanos, su calor proviene del exterior por incidencia de los rayos solares; pero hace 5000 millones de años el calor en la superficie era de origen geotérmico, y supuestamente la atmósfera sobre la superficie terrestre también tenia altas temperaturas. La tierra al enfriarse conlleva también a que los gases atmosféricos se enfríen y reaccionen entre ellos provocando la formación de grandes cantidades de nubes de vapor de agua, con lo cual se inician las grandes lluvias, descargas eléctricas con grandes tormentas las cuales dan lugar a intensos chaparrones, con lo que en bajíos se acumulan depósitos de agua.-
En el agua acumulada en lagunas y mares producto de torrentes y ríos se disuelven gases como el CO2, H3N,HS y sales diversas; los torrentes con aguas ácidas, disuelven y arrastran componentes de rocas por lo cual mares y océanos se salan por la acumulación de Na, Cr, K, Mg, etc..-
La superficie terrestre es como un laboratorio químico, donde ocurren reacciones del orden inorgánico y orgánico o ambos combinados.-
Probablemente en los lagos y en lugares adecuados de éstos arrastres y reacciones químicas se pueda haber formado un caldo nutritivo como el que propone Oparin.-
2.- Esquema del planeta tierra primitivo
3.- El caldo nutritivo.-
En el laboratorio se pueden realizar reacciones de compuestos orgánicos y en la naturaleza, en épocas primitivas también se deben haber realizado en el laboratorio de la propia naturaleza. En éstos compuestos el carbono C es el elemento principal de ellos; en los cuales el C puede estar solo o unido a otros C, en los que algunos H y OH pueden estar unidos a los carbonos. El H o el OH, pueden ser sustituidos por grupos en los que C es el componente principal; y también puede ser sustituido por elementos químicos o moléculas: Br, O, Cl, NH2, etc.
En el medio acuático los componentes del agua: H--OH están distribuidos formando moléculas en las cuales algunos H permanecen activos; los arrastres de disoluciones por lluvias y torrentes si proceden de medios ambientes adecuados pueden estar enriquecidos con ácidos y bases, como ser: cloruro de sodio, amoníaco, diversos nitratos, etc. y además productos orgánicos, con el resultado de que en lagunas o lugares reducidos pueda haberse formado un caldo nutritivo primitivo.-
De lo que pueda acontecer en el caldo primitivo a nosotros nos interesa el sistema orgánico, el que tiene mayor importancia.-
El carbón C tiene cualidades muy especiales, que como ya vimos origina muchísimas clases de compuesto; en éstas combinaciones hay frecuentemente agregados de energía, acorde a la complejidad de los productos.-
En épocas modernas de la evolución desde épocas muy primitivas, la energía proviene del sol, pero en periodos aun mas antiguos, los rayos solares eran frenados o absorbidos por densas nubes de vapor de agua cargadas de gases diversos, provenientes de emanaciones volcánicas y filtrados o expulsados del interior de la tierra; entre éstos gases se comprende CO2--SH, etc..-
La energía para que se realizaran reacciones de enlaces orgánicos, debería provenir de otras fuentes que no fuera solar.-
Posibles fuentes de energía en épocas muy primitivas, podrían provenir de la degradación de elementos químicos, los que en sus orbitales externos retienen con poca fuerza sus electrones, por lo cual éstos tienden a realizar enlaces con otros; son elementos llamados catalíticos, porque pueden ceder y recuperar electrones, participando en reacciones de otros compuestos al cabo de lo cual recuperan sus electrones.-
Hay moléculas con oxigeno que participan en reacciones en que el oxigeno actúa como intermediario.-
La propia agua es algo reactiva, ya que en su estructura molecular deja libre momentáneamente algunos electrones de H, que pueden participar en enlaces para crear otros compuestos.-
En épocas muy primitivas reacciones químicas en medios acuáticos, deben haberse realizado entre productos del sistema químico orgánico, aún en ausencia de la luz solar.-
4.- Productos útiles para la química orgánico biológica.-
Hay un dogma de que C-H-O-N-P-Mg-S, son necesarios como formadores de un medio nutritivo para que pueda haber vida.-
Los aminoácidos, los clotidos del ADN-ARN, las membranas, sustancias de reservas (hidratos de carbono, lípidos) y otros productos, son resultado de las funciones de los sistemas orgánicos, en las que participan los elementos químicos que figuran en el dogma citado.-
Algunas infraestructuras necesarias para que las reacciones químicas orgánicas funcionen.-
Los elementos químicos reaccionan entre si para equilibrar sus energías; generalmente la energía va de donde hay mas hacia donde hay menos.-
Los productos químicos en disolución iónica, si están en el mismo continente (envase), pero separados por una membrana permeable, sus iones tienden a permanecer en sus propios espacios. Si hacemos la experiencia de verter en cada espacio separado por una membrana, dos soluciones químicas de la misma composición pero en distinta cantidad los componentes iónicos se desplazarán a través de la membrana de donde hay mas cantidad a la parte donde hay menos; lo que ocurre con disoluciones de cloruro de sodio, azúcar, etc.; éstas situaciones se denominan como isotónicas en caso de igualar o no isotónicas mientras permanezca la desigualdad.-
Hay membranas que no dejan pasar los iones o moléculas por lo que el traslado de éstos/as no se puede realizar. En los sistemas orgánicos por dispositivos especiales, las membranas se vuelven selectivas permitiendo que algunos iones o moléculas las traspasen y otros no.; éstos fenómenos se deben a los diferentes potenciales de energía electrónica de los elementos puros o en combinaciones.-
5.- Origen de las membranas primitivas.-
Un caldo nutritivo puede ser o estar compuesto por el producto de actividades químicas; por ésta actividad puede contener moléculas diversas entre las cuales hay hidrofílicas (que se disuelven en agua) y otras que tienen cualidades hidrofóbicas (que no se disuelven en el agua) .-
Las membranas de tipo orgánico de los seres vivos: plantas, animales, actúan como separación entre los medios externos y el interno de las estructuras celulares, permitiendo selectivamente el traslado y transporte de iones y moléculas de un lado a otro.-
En alguna época muy primitiva debieron formarse membranas para que se realizaran separaciones aún cuando las acciones no fueran del tipo biológico.-
Hay productos que pueden formar separaciones entre dos medios los cuales tienen las propiedades de ser hidrofóbicos. Algunos productos químicos como los glicerofosfatos se unen a grasas con lo que forman ceras; éstos compuestos tienen la característica de que en su estructura química el glicerofosfato el hidrofilico o sea que tiende a introducirse en el agua y en la otra parte, la cadena grasa, es hidrofobica o sea que no se mezcla con el agua; una capa extensa de éste tipo de molécula se agrupa uniéndolas entre si por el efecto de atracción molecular y tienen mucha resistencia a su rotura.
Por causas ambientales como ser oleajes o movimientos acuáticos de otra naturaleza pueden determinar que éstas membranas que formarían una capa sencilla, pudieran replegarse sobre si mismas, con lo cual se forma una bicapa, en que la zona de colas quede entre dos capas al interior de la bicapa, por lo cual ésta membrana tendrá una conformación de moléculas fosfolipidicas con cabeza hidrofilica hacia los lados opuestos de la bicapa y en el interior dos capas de colas hidrofóbicas separadas por un espacio.-
Seguramente que en épocas primitivas, éstos tipos de membranas también por algunas causas circunstanciales especiales determinar que desde fuera de ellas hacia adentro se originaran transportes electrónicos creando diferentes potenciales a ambos lados.-
Especulando con hipótesis; podemos suponer que también en circunstancias especiales, éstas membranas de bicapas, en algún momento formar ondas o repliegues y también formar invaginaciones (bolsas), en las cuales dentro de ellas se contenga parte del liquido que las rodea con lo cual se crean dos ambientes, interno y externo de la vesícula, en los cuales las actividades químicas pueden crear distintos potenciales.-
Estamos en una etapa muy primitiva en que vesículas membranosas creadas por circunstancias ambientales, se llegan a organizar como estructuras estables y en cierta forma independiente, las que se pueden crear por brotes. Estas vesículas membranosas pudieran participar en reacciones químicas, dado que con su presencia originan ambientes con distintos potenciales electrónicos, lo cual promueve la creación de productos diversos. En los espacios entre la bicapa de la membrana se desarrollan actividades químicas, para formar moléculas captoras de energía que provenga de fuentes exteriores.-
Antes de la aparición de un sistema de captación de energía solar, en épocas primitivas seguramente en las membranas primitivas existentes se habrían instrumentado sistemas similares a lo que sucede en el ciclo Calvin, que ocurre en fotosíntesis; éstos sistemas captarían energía de otras procedencias que no fuera luz.-
6.- Primeros productos creados con la participación de la membrana primitiva.-
Un ejemplo de que en ambientes primitivos dentro de esas membranas pudieran crearse compuestos biológicos a partir de un caldo primitivo es el experimento de Miller. En un matraz coloco varios compuestos los que según los conocimientos que se tienen formarían un ambiente de caldo primitivo; en el matraz colocó dispositivos adecuados para producir efectos eléctricos sobre la mezcla; después de algunos días analizó el contenido en el que encontró varios compuestos orgánicos entre los cuales había aminoácidos, hidroxiácidos y urea.-
El experimento de Miller (fue ratificado por otros investigadores, demuestra que en las condiciones en que existían un caldo primitivo que pudiera estar en embalses pequeños de mares, lagos, con atmosfera muy reductora, por efectos de aportes de energía que puede provenir de descargas eléctricas, rayos cósmicos y otros como el uso ultravioleta, sobre un caldo primitivo era posible que aparecieran moléculas orgánicas producto de reacciones químicas.-
El ejemplo del ciclo de Calvin en fotosíntesis, puede ser ilustrativo de la función de la membrana, donde los tinacoides en las células vegetales mediante la clorofila crea productos de diversa naturaleza.-
Puede haber existido un ciclo similar, con participación de una vesícula primitiva, que por medio de su membrana pudiera tener la capacidad de captar energía del medio circundante.-
En éstos ciclos la energía es usada para unir C02+H2O, y en varias vueltas de ciclo, crear moléculas mas complejas como las que integran la glucosa y además ATP.-
El ATP es un producto final de un proceso de captación de energía, al que se llega en varias etapas en las que intervienen en forma muy importante las moléculas fosfato( PO4), que como vemos en la formula el oxigeno y fosfato se enlazan covalentemente con intercambio de electrones. Esta formula es muy energética dado que el oxigeno es muy combinante por ser muy ávido de electrones de otros elementos.-
Si observamos, vemos como del tercer fosfato una valencia del oxigeno, se une al C5 del azúcar ribosa.-
El ATP tiene 3 fosfatos de los cuales el primero es muy reactivo cediendo energía de la molécula PO4, para realizar las llamadas reacciones catalíticas.
Otros productos que se forman en etapas primarias son los nitrogenados llamados porfirinas; como ser además de la ademina: guamina, tianina, uracilo y citocina, las que pueden sustituir a la ademina en la formula del ATP-ADP, AMP. Las porfirinas son anillos que en su estructura contienen dos o tres N y en las que se pueden comprender uno o dos anillos; las purinas están formadas con dos anillos y las pirimirinas con uno. Ver figura
Estas moléculas de por si, son bastante energéticas con enlaces dobles o triples.
En etapas muy iníciales de los ciclos catadores de energía ya tiene que haber aparecido éstas estructuras químicas, que son productos de la actividad de la membrana.-
En los procesos creadores que realizan los ciclos, también aparecen azucares simples con tres a cinco C, los cuales son etapas intermedias al azúcar glucosa; entre ellos hay uno de cinco carbonos llamados ribosa, del cual hay dos clases, motivado porque uno de ellos tiene menos oxigeno llamado desoxiribosa.
Si a éste azúcar en el C5, se le reemplaza un OH , con tres moléculas de fosfato corridas y en el C1 se sustituye un OH por la base nitrogenada ademina se crea una molécula de ATP, que como ya vimos es un agente catalítico y enzimático importantísimo para el transporte de energía a los procesos de síntesis química, que ocurre en la vesícula precursora de sistemas biológicos.-
7.- Evolución de las reacciones creadoras de productos dentro de las vesículas primarias.-
Si la vesícula membranosa captadora de energía funcionan activamente creando productos, se consumen los elementos químicos que se contienen en su interior, por lo que éstos al final se agotan. Nuevos suministros pueden ingresar por efectos de diálisis o transportados desde el exterior de la vesícula.-
Algunas vesículas por la propiedad que tienen sus membranas de crecer pueden originar brotes de vesículas hijas, que encierran nuevos nutrientes.-
Para que los ciclos de síntesis funcionen, las membranas crecen y forman nueva vesícula para que dentro de ellas ocurran nuevamente reacciones químicas.-Entre las actividades químicas que se producen en los ciclos de síntesis, se crea como ya vimos el ATP, al que se llega seguramente por etapas: AMP, ADP y otros, creando moléculas catalítico enzimáticas, las que participan en las reacciones de síntesis.-
El AMP, ademina monofosfato, tiene menos energía y poder catalítico que si fuera un di o tri fosfato.-
La capacidad catalítica o enzimática de éstos compuestos se debe a la cantidad de fosfato que integran a éstas moléculas.-
En la formula monofosfato, la base nitrogenada adenina, puede ser sustituida por alguna las otras cuatro: guamina-citosina-tianina-uracilo.-
La estructura a la que nos referimos antes, que tiene un solo fosfato se denomina clotidos y es la base fundamental del ADN.-
Un clótido cualquiera de ellos sea con G, A, T, U, tiene muy poca capacidad catalítica o enzimática, a lo que ya nos referimos, por lo que su poder de síntesis seria muy pobre; pero si está asociado con otros dos, cualquiera de ellos se forma un triplete, que en genética se denomina Codón; estructura que cuenta con tres fosfatos y por tal causa tiene muy buena capacidad catalítico enzima.
8.- El Codón (triplete de tres clotidos)
Como vimos la actividad de la membrana por medio de ciclos similares al Calvin, genera varias clases de productos, entre los cuales pueden estar los básicos para formar el ADN.-
El ADN, funcionalmente en su estructura de cadena de codones, actúa con una actividad catalítica enzimática, resultado de lo cual se sintetizan diversas sustancias, para el funcionamiento de las células, entre ellas la mas importante es la creación de los llamados ribosomas; dentro de los cuales los codones, en código de ARN, se activan para luego de algunos procesos enzimáticos formar unas moléculas químicas orgánicas, llamadas aminoácidos. Los aminoácidos participan activamente en las síntesis de las proteínas de diversas clases, entre las cuales se encuentran estructuras globulares llamadas enzimas.-
9.- Cadena de tripletes.-
El proceso de creación química dentro de la vesícula, que pudiera medirse en termino de tiempo, es muy breve, durante el cual muchos enlaces entre elementos se realizan para crear nuevas moléculas; un ejemplo de ello es la multiplicación de las levaduras y fermentos naturales.-
Al crearse una célula nueva (vesícula) por brote de crecimiento de la membrana, en un periodo de muy poquitos minutos se cumplen todos los procesos creativos dentro de ella.-
La aparición de la estructura clotido y cadena de ellos, origina una etapa evolutiva nueva en el proceso químico, que se realiza desde de la compleja membrana, sin la cual no es posible que se realicen reacciones de captación de energía.-
Los enlaces en el codón y las cadenas que ellos forman, son muy resistentes; sus enlaces son muy difíciles de romper, por lo que la actividad catalítica de ellos que se realiza en forma sucesiva, siempre será igual. El resultado de la actividad catalítica que se realiza con la intermediación de los ribosomas, creará las cadenas de aminoácidos, obedeciendo en su ordenamiento el mismo orden de las cadenas ARN.
10.- El código genético de los aminoácidos.-
Se ha investigado que el componente triplete o codón está integrado por tres letras por ejemplo AAA ACG CGA o cualquiera otra combinaciones de letras; recordemos que cada letra representa a algunos de los clotidos que como ya vimos, es la inicial que los identifica; cada uno puede crear por un proceso de síntesis catalítica una clase única de aminoácido; de las 64 posibles combinaciones que forman el triplete, uno puede catalizar un aminoácido y en algunos casos dos o mas por separado pueden catalizar a un mismo aminoácido; como consecuencia de todas las combinaciones pueden resultar sintetizado 20 aminoácidos.-
Los tripletes (codones) UUU - UUC que son dos, codifican al aminoácido Phe (fenilamina) y que Leu ( leucina) puede ser sintetizada por 6 clotidos diferentes, a lo que ya nos referimos anteriormente; los aminoácidos son moléculas químicas de formula general:
En la que el (R) representa a un grupo activo, por ejemplo en alamina (ala) es C -H3, en glicina (Gly) es H; en otros aminoácidos la formula es mas complicada.-
11.- Nueva etapa evolutiva en la formación de la vesícula.-
Otro paso grandísimo en la evolución de la vesícula, fue la facultad de poder hacer copias del codón y sus cadenas.-
En seres muy inferiores, las cadenas de codones pueden ser duplicadas y aun en algunos casos se duplican tramos sueltos de cadenas, aunque no estén formando parte de un cromosomas.-
Al microscopio electrónico, en la cadena del ADN en el momento de inicio de la duplicación, aparece una clase de estructura especial, formada con ARN y proteínas y allí se empieza a realizar la duplicación.-
Para que el sistema catalítico de los codones alineados en cadena, pase a ocupar un lugar funcional en una nueva vesícula de membrana, ya desde épocas muy primitivas el proceso de copiado de ADN debería ser realizado, para que una réplica de él este pronta, para ser transferida a una vesícula hija.-
Se ha investigado mucho sobre que reacciones químicas participan creativamente en la duplicación, en la que una copia debe ser realizada con el aporte de elementos químicos del medio ambiente interno de la célula y energía. Este proceso es un asunto muy bien estudiado y esta bien expuesto en los textos de genética.-
Todo el aparato compuesto por ADN y sus efectos cataliticoenzimático está inmerso en un citoplasma, que contiene los elementos necesarios para que en etapas muy primitivas, los seres inferiores (procariotas) pudieran reproducirse.-
Concluimos que al cabo de varios miles de años de evolución, la vesícula membranosa por su actividad, produce varias clases de productos de síntesis del tipo del ciclo Calvin, con el resultado final de obtener glucosa y ATP y que además también se producen las síntesis de los clotidos, que como vimos forman los codones integrantes del ADN.-
Nos estamos situando en etapas precursoras de sistemas biológicos, los cuales al fin y al cabo son resultados evolutivos, a partir de reacciones químicas.-
En el cuadro que sigue pretendemos exponer las etapas del proceso evolutivo, que nos ha conducido desde la vesícula membranosa a una estructura prebiótica.-
La membrana se expande después de que la actividad catalítica del ADN/ARN ya haya cumplido su función y esté todo pronto para realizarse la división en el proceso de mitosis; todo es coordinado e interactuado por la función enzimática, que crea, activa o frena en cada etapa de los procesos.-
Desde la época primitiva la atmósfera y la superficie del suelo (rocas, agua, etc.) han sufrido muchos procesos de cambio.-
La atmosfera se volvió más transparente (por tener menos nubes espesas y gases), permitiendo que los rayos solares incidieran sobre la superficie rocosa y acuática; con lo que se activan muchos procesos químicos como: disoluciones, enlaces, catalíticos u otros, que dan nuevas moléculas.-
Los efectos de procesos erosivos tanto físicos como químicos a nivel del medio solido y acuático, generan nuevos compuestos moleculares, entre los cuales los coloides son muy importantes.-
El sistema membrana vesicular que funciona en el medio ambiente que ha ido evolucionando, probablemente empezó a recibir energía solar con lo cual, un producto del ciclo membrana, la molécula organometalica: la clorofila es activada.-
Las porfirinas que componen a la clorofila, en sus anillos encierran un átomo del elemento magnesio; estructura que oficia tipo antena captadora de fotones de los rayos solares; la membrana incorpora en su evolución componentes que complementan su actividad; y poco a poco pasa del sistema captor de energía por procedimientos eterótrofos, al autótrofo, obteniendo energía por sus propios medios.-
Algunos organismos del mas primitivo ambiente como los estromatolitos (que dan los primeros fósiles conocidos), pueden ser microautotrofos, producto de ésta evolución.-
13.- La aparición de la molécula clorofila en el sistema membrana, acelera el proceso evolutivo en la tierra.-
La vesícula membranosa evolucionó y paralelamente dentro de ella el sistema ADN, el que con sus cadena de codones, guarda en códigos los procesos para crear las encimas y sus otros productos. El ADN va incorporando tramos genéticos útiles que producen o crean procedimientos para relacionar la célula primitiva, con un medio ambiental en el que haya mas posibilidades de obtener nutrientes.-
En el correr del tiempo se agregan miles de tramos al ADN en los que se codifica y se “embiblioteca” el proceso evolutivo.-
En microbios aparecen apéndices vibrátiles y contráctiles, que les permiten nadar en el medio acuático y responder a los tropismos y atracciones diversas. Pueden haber evolucionado los microbios primitivos para al participar de algunas reacciones químicas obtener elementos necesarios para su funcionamiento; algunos terrenos que estudia la geología pueden haber tenido origen en algunas de éstas actividades microbianas, por ejemplo algunas capas de suelos ferrosos.-
14.- Los albores de la fotosíntesis.-
Según algunos estudios, en los cambios del medio ambiente de algunas épocas muy primitivas, la actividad de los micro organismos anaerobios heterótrofos, deben haber tenido mucha importancia por causa de su metabolismo en la oxigenación de la atmósfera. Producto de ésta actividad, la atmósfera con el correr del tiempo cada ves se vuelve mas rica en oxigeno y al tener menos nubes, se permite que el sol llegue a nivel del agua donde sus fotones interactúan con sus disoluciones creando productos muy diversos.-
En éste medio acuático los microbios nadan orientados como ya vimos, por diversos tropismos, para buscar sus alimentos; algunos de éstos micro organismos que tuvieran en su membrana alguna clorofila, también empiezan a captar energía solar.-
La actividad química y erosiva en el medio acuático próximo a la costa o en embalses, producen moléculas y pequeñísimas partículas que al estar en dispersión, forman los llamados coloides, los que en su estructura molecular crea la facultad de captar y adsorber diversos elementos; por tal causa en un medio coloidal, algunos primeros organismos fotosintetizadores, pudieran haberse establecido allí y seguir evolucionando en ésta clase de ambiente. Cianobacterias, los primeros cloroplastos, algas, pudieran haber en su proceso evolutivo obtener la facultad de adaptarse al ambiente coloidal.-
El proceso evolutivo que se inicia con los primeros seres vivos, puede haber dado lugar a la creación de varios ramales de evolución, de los cuales algunos fueron exitosos y otros no. Entre tantos intentos se originan los relacionados al de crear un sistema especializado en producción de clorofila, el que pueda haber estado comprendido dentro de una estructura de vesícula membranosa conocida como cloroplasto, la que tiene su propio ADN.-
Al llegar a ésta etapa en el proceso evolutivo ya se está creando un sistema especializado para suministrar energía.-
Con la fotosíntesis se da un enorme paso en el proceso evolutivo de los primeros organismos; derivado de lo cual con el ciclo Calvin las moléculas de CO2+H2O+energia, en varios ciclos agregan nuevas moléculas de compuestos del C que como ya vimos en otra parte participan principalmente en la síntesis de glucosa y ATP.-
Aníbal V Mendoza
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