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El camino desde la química prebiótica hacia los ciclos metabólicos
Marcelo I. Guzmán
Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas y Departamento de Ciencias Planetarias y de la Tierra, Universidad de Harvard
mig
seas.harvard.edu
Resumen de la clase1.
Introducción. Cómo y adónde. Moléculas
de la vida
2.
Los requerimientos
para la vida3.
Definición de vida de la NASA. Contradicciones.
4.
Repaso del
experimento
de Miller.
Limitaciones5.
Modelos experimentales:
a)
El mundo del ARNb)
La compartimentalización
c)
Metabolismo
prebiótico:•
El metabolismo universal
•
Catalisis en arcillas•
El mundo del hierro y del azufre
•
Metabolismo
en minerales semiconductores6.
Preguntas
Puntos a considerar1.
¿Cómo y adónde?
2.
Dificultad para definir a los seres vivos. Resultado de la evolución
•
Vida conocida a partir de al menos una célula original
•
¿Célula prebiótica?•
Modelos experimentales
Paredcelular Azúcares
celulosa
membrana plasmática
proteínas
amino ácidoscromosomas
nucleótidos
4La célula y
sus organelas
3Complejos
supramoleculares
2Macromoléculas
1Unidades
monoméricas
Componentes moleculares de la célula de E. coliPorcentaje en peso total de la célula
Número aproximado de diferentes especies moleculares
agua 70 1proteínas 15 3000ácidos nucleicos
ADN 1 1ARN 6 >3000
polisacáridos 3 5lípidos 2 20
subunidades monoméricas
e intermediarios
2 500
iones inorgánicos
1 20
Los cuatro
requerimientos
para
la vida
Membrana celular(protocélula)
Hábitat
Procesos genéticosy metabólicos
citoplasma(estructura interna)
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
La Vida
Podemos decir que la vida consiste de células hechas de átomos de carbono orgánico, se encuentra en disoluciones acuosas, y se compone de maromoléculas, es capaz de generar energía, posee la capacidad de crecer y reproducirse, y puede responder y adaptarse a través de sucesivas generaciones a las condiciones del medioambiente
1. ¿Qué
es la vida
para
la NASA?
La vida es un sistema químico autosostenido capaz de sufrir evolución
Darwiniana
Presenta algunas incongruencias
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
2. Definición Intuitiva
•
Un sistema compuesto por una barrera física S; S decae en productos P, pero debido a la actividad interna del sistema, el nutriente A es convertido en S de nuevo
Luisi, P. L., en “The Emergence of Life: From Chemical Origins to Synthetic Biology”, Cambridge University Press, Camdridge, 2006.
Coevolución
Geoquímica
y Biológica
Polimerizaciónde aminoácidos
a proteínas
Geoquímica
Bioquímica
El experimento de Miller
Electrodo-
Electrodo+
Líneade vacío
Puerto demuestreo
Océano
Atmósfera
Trampa de agua
entrada
salida Condensador
Fuente de calorAgua enfriada
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
Puerto demuestreo
¿Cómo se forman las biomoléculas?
Descarga eléctrica(rayos)
Limitación: ¿Cómo se producen polímeros a partir de monómeros?
Ácidos carboxílicos Bases de los ácidos nucleicos Aminoácidos AzúcaresÁcido fórmico Adenina Glicina Pentosas
y
hexosas lineales y
ramificadasÁcido acético Guanina AlaninaÁcido propiónico Xantina Ácido α-
aminobutíricoÁcidos grasos lineales y ramificados (C4
-C10
)Hipoxantina Valina
Ácido glicólico Leucina
Ácido láctico Isoleucina
Ácido succínico ProlinaÁcido aspárticoÁcido glutámicoSerinaTreonina
Algunos de los productos de los experimentos de Miller y similares
De S. L. Miller (1987) Cold Spring
Harb. Symp. Quant. Biol., 52, 17-27
Modelos del origen de la vida:
1.
El Mundo del ARN2.
La Compartimentalización
3.
El Metabolismo en Ausencia de Enzimas4.
Otros modelos que no vamos a discutir…
El Mundo del ARN
Creación del caldo prebiótico que contiene nucleótidos,a partir de los componentes presentes en la atmósfera primitiva
Producción de cadenas de ARN de poca longitud con secuencias distribuidas
al azar
Replicación selectiva de fragmentos de ARNque se copian a si mismos de modo catalítico
Los péptidos comienzan a tener mayor participación en la replicacióndel ARN, produciéndose así
la co-evolución del ARN y las proteínas
Síntesis de ciertos péptidos catalizada
por el ARN
Se desarrolla un sistema primitivo de traducción, compuestopor un genoma de ARN y catalizado
por proteínas de ARN
El genoma de ARN empieza a ser copiado en el DNA
Surge el genoma de ADN, traducido en los ribosomas(complejo de ARN y proteínas) con catalizadores proteicos
1.
Creación de una vesícula
2.
Otros compartimientos están englobados (interacciones)
3.
Funciones garantizadas por el flujo de materiales e información
4.
Vesícula primitiva semipermeable
5.
Observación experimental: formación espontánea de vesículas
El Modelo de la Compartimentalización
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
¿Cuán simple puede ser una célula?Protocelula o vesícula: Un compartimiento diferenciado del medio por un limite físico (membrana de ácidos grasos) que se puede auto-replicar
ProteínasPolisacáridos ARN ADN
Estructura típica deuna célula procariota:
Lípidosflagelo
cápsula
pared celular
membrana plasmáticafimbria
plásmidocadena denucleotidosde ADN
citosolribosoma
Compartimentalización
Grupocarboxílico
ácido esteárico(18 carbonos)
Cadenahidrocarbonada
ácido oleicoInsaturado
(18 carbonos)
¿Por qué la vida necesita de un compartimiento tipo membrana?
•
Para preconcentrar
los nutrientes
•
Protección y adaptación
•
Para almacenar energía
•
Para que la replicación del ARN ocurra de manera selectiva
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
Crecimiento y división de las Vesículas
Concentración de las micelas
de ácido oleico
agregación
nuevas vesículas
Se produce la adición de micelas
de ácido oleico a
vesículas preformadasUso de energía mecánica en la división forzada por filtración a través de una membrana porosa
Algunos contenidos de pierdenpero no hay dilución o es mínimaAdapted from 2007 Szostak
Lab
Compartimentalización
Diámetro típico ≈
0.1 -
5 µm
106
moléculas de surfactante, cabezas polares hacia el interior, cola de hidrocarbonos
hacia el exterior con un
espesor de ≈
25 Å
centro que contiene 109
moléculas de agua junto a minerales y moléculas orgánicas pequeñas
H2
Osales
centro acuoso concentrado
una segunda capa de moléculas anfifílicas, orientadas cola con cola con la capa de la micela
invertidaLa bicapa
ofrece
mayor flexibilidad y funcionalidad que la monocapa
de la
micela
invertida
Micela invertida
Vesícula
El mundo del ARN y el de las vesículasMarcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
Nutrientesricos enenergía:azúcaresgrasas
proteínas
Productos finalesenergéticamente
pobres:Catabolismo
Macromoléculascelulares:
proteínaspolisacáridos
lípidosácidos nucleicos
Anabolismo
CO2H2
ONH3
Moléculasprecursoras:
aminoácidosazúcares
ácidos grasosbases nitrogenadas
Energíaquímica
Metabolismo (¿en ausencia de enzimas?)Metabolismo La totalidad de reacciones químicas y cambios físicos que ocurren en los seres vivos, incluyendo anabolismo y catabolismo
Ideas del Metabolismo Universal Pre-Enzimático
•
Metabolismo central (autótrofos): ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CATC)
•
Quimiolitoautótrofos: sintetizan todo de CO2
usando el ciclo inverso (CIATC)
•
Sistema modelo (compuestos de C, H y O) que se forma a partir de
CO2
y pares de óxido reducción (fuente de energía)
•
Posibles sistemas de reacción
que pueden surgir dados los compuestos en la base de datos Beilstein
(>
3.5 millones) y les aplicaron un conjunto de
condicionamientos físicos y químicos
•
Surgieron 153 moléculas, incluyendo los 11 compuestos del (CIATC)
•
La universalidad en los ciclos metabólicos es relevante al origen de la vida, única y sólo necesita de moléculas orgánicas para empezar
Morowitz
et al. (2000) Proc. Nac. Acad. of
Sci. U.S.A., 97, 7704 Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
El Ciclo Inverso de los Ácidos Tricarboxílicos
Guzman y Martin, Int. J. Astrobiol., 2008, 7, 271-278Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
¿Abiótico?
acetato (C2)
piruvato (C3)
malonate
oxaloacetato (C4) malato (C4)
succinato (C4)
α-cetoglutarato (C5)
citrato (C6)
fumarato (C4)
O
O-
O
O
O-
O
O-
O
-O
O
O
-O
O
O-
OH
O
-O
O
O-
O
O-
O
-O
O
O-
O
-O
O
O-
O
-O
O
HO
OO-
O O-
O
-OLIPIDOS
AZUCARES
alaninaH2N
O
OH
aspartatoNH2 O
OH
O
-O AMINOACIDOSPIRIMIDINAS
PIRROLES
glutamato
NH2
O
OH
O
-OAMINOACIDOS
(1) (2)
(3)
(4)
(5)
2 H+, 2 e-, CO2
CO2
OH
O
-O
OO-
O
O-
isocitrato (C6) O
OO
O
OOO
oxalosuccinato (C6)
2 H+, 2 e-
cis-aconitato (C6)
O
O-
O O-
O
-O
H+
H2O
H2O2 H+, 2 e-
2 H+, 2 e-, CO2
H2O
CO2
H+
2 H+, 2 e-H2OH2O
Las Investigaciones de Cairns-Smith
•
Problema: elevadas Ea
-
selectividad•
Superficie de minerales de arcilla en agua: adsorbente y molde de polimerización
•
Estructura de los cristales: catalisis
y replicación•
Mutación y evolución primitiva
•
Incorporación de péptidos y transición a la genética
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
El Mundo del Hierro y del Azufre
•
Síntesis y catálisis ocurre sobre la pirita (FeS2
)•
Ambientes volcánicos, fumarolas de gran profundidad
•
Evolución a partir de CO2
vía reducciones (autocatálisis)
•
Fuente de Energía: Formación de la pirita:
FeS
+ H2
S → FeS2
+ H2ΔGº
= -38.4 kJ/mol
Clúster/bibliotecade minerales
Bibliotecade péptidos
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
Adaptado de Wachtershauser, (2000) Science, 289, 1307
Resultados y dificultades del Mundo de la Pirita
•
Experimentos de Cody
et. al (Science, 2000)Formato HCOOH,
n-nonanotiol
CH3
-(CH2
)8
-SHy
sulfuro de hierro,
T =
250 ºC y P = 100
atm0.07% piruvato
y 0.05% acetato
•
Experimentos de Wachtershauser (Science, 2000, V314)CO, KCN, , CH3
-SNa, Na2
S, Fe2+
y Ni2+, a 100 ºC y 10 atm
α-hidroxiácidos: 0.1-1 µM lactato,
•
Nuestro planteo para abordar el problema
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
750 GaEucariotas
multicelulares
Procesos relevantes en la evolución de la Tierra
600 GaExplosión delCámbrico
PresenteImpacto que originó
la Luna
> 3.7 Ga Isua,¿isótopos de Cque indican vida?
4.6 GaOrigen dela Tierra
2.6 a 1.8 GaBIF, oxígenoen la atmósfera
1.5 GaEucariotas
2.7 GaEsteroles = Eucariotas3.45 Ga
Fósiles:Estromatolitas
¿Mecanismo para fijar carbono?
Guzman and Martin, Int. J. Astrobiol., 2008, 7, 271-278Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
Atmósfera anóxica
Luminosidad reducida
Periodo de impacto de bólidos
1 Giga-año (Ga) = 109
1.
Ciclo de Calvin2. Ciclo Inverso de los Ácidos Tricarboxílicos3.
Reacciones de Reducción de Acetil-CoA
4.
Ciclo del 3-Hidroxypropionato/Malil-CoA5.
Ciclo del 3-Hidroxipropionato/4-Hidroxibutirato
6.
Ciclo del Dicarboxilato/4-Hidroxibutirato
¿Cuál fue el mecanismo que utilizaron losprimeros microorganismos para fijar carbono?
http://www.fieldmuseum.org/evolvingplanet/precambrian_10.asp
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
10 um
Proveyendo organización a través de reacciones fotoelectroquímicas
no-enzimáticas
y autosostenidas
Bahía de Kraternaya, IslasKuriles (Foto A. Matochkin) Bahía de Kraternaya.
Alfombra bacteriana sobre una fumarola de sulfurode hidrógeno, ubicada a una profundidad de 20 m(Foto A. Matochkin)
Tarasov, Adv. Mar. Biol., 2006, 50, 267
Composición del fluido de una fumarola de baja profundidad (μM kg-1):H2
S: 0.1–2400H2
:
0.001–0.220CH4
: 0.007–0.200Zn: 0.4–12.5Fe: 0.03–875Mn: 0.2–675
Reactor fotoquímico.Suspensión de esfalerita:
ZnS, blanco(Foto M. I. Guzmán)
Metabolismo abiótico posibilitado por la fotoelectroquímica
-2
0CO /HCOO
0.29 eVE = −
•
esfalerita
o wurtzita:ΔEºZnS
= 3.6 eV
≡
344 nm
¿Como lograr que el ciclo de los ácidos tricarboxílicos funcione en la dirección inversa?
Zhang et al, J. Photochem Photobiol. A. Chem, 2007
“atmósfera inorgánica”
“sopa prebiótica”HCOO-BC
BVhν
h+
e- CO2
H2
S
SO42-
Mineral + Fotón
→
e-CB
CO2
+ 2e-
+ H+
→ HCOO-
+2.56
-1.04 V0.00 ENH
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
Caracterización de las Partículas (ZnS)
TEM
10 20 30 40 50 60 70 80
2θ
(grados)
Inte
nsid
ad(u
.a.)
ZnS fresco
111220
311
XRD
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
Reacciones Fotorédox del Ciclo Reductivo de los Ácidos Tricaboxílicos
Dispersión de la solución volcánica
Fuente de energía geotérmica
Jets de Gas y soluciones termales: 170-325 ºC
Enriquecimiento en metales, iones y gases reductores
Aguade mar:3-30 ºC
Sedimentos sobre el fondo del mar : 4-90 ºC
0 m
10
20
200
1000
Fotoelectroquímica en suspensión
Fotoelectroquímica en los sedimentos decantados
Fuente de energía libre: UV
Inte
rcam
bio
de g
ases
Atmósfera
piruvato-lactato-
α-cetoglutarato2-
isocitrato2-
succinato2-
ZnSformato-
glutarato2-
CO2
Guzman y Martin, Astrobiology, 2009, 9 (9) Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
Fluidos de las fumarolas: 10-96 ºC
Experimentos y Controles a 15 ºC
y pH
7 variables
hν ZnS HS- Ri
lactato piruvato CO2
experimento + + + + − + control A + + − + − + control B + + − + − + control C + + + + − + control D + + + + − − control E + − + + − + control F + + + + + + control G + + + + − −
control H + − − + − −
control I − + + + − + control J + + + − − + control K + + + − + + control L + + − − + +
Guzman y Martin, Astrobiology, 2009, 9 (9).
Técnicas Espectroscópicas:FluorescenciaInfrarrojoUV-visibleNMR
Experimento Típico
Guzman y Martin, Int. J. Astrobiol., 2008, 7, 271-278Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
entrada de agua de la camisa refrigerada: 5 a 50 °C
salida
Conexión para termómetro y burbujeo
septum
para recolectar muestras para los análisis por cromatografía iónica
Lámpara de mercurio de mediana presión I0
= 7.4 ×
10-6
Einstein/s
reactor
barra magnética (agitación)
suspensión de ZnS (2.3 g/L) con oxaloacetate 1 a 10 mMHCO3
-, H2
S, anóxico, pH
= 7
Dedo de inmersión hecho de cuarzo
Partícula
de ZnS (10 a 350 nm)
Técnicas Cromatográficas:LC ESI MS, IC
Cromatografía Iónica
Time (min)
0 5 10 15 20 25
Con
duct
ivit
y (μ
S)
0
2
4
6
8
10
12
14 0 min30 min60 min90 min120 min
●
3-hidroxipropionato ●
lactato
●
acetato
●
glicolato
●
propionato●
formato
●
piruvato
●
3-hidroxibutirato ●
glioxilato
●
glutarato
●
succinato
●
malato
●
malonato
●
tartrato
●
maleato
●
α-cetoglutarato ●
oxalato
●
fumarato
●
oxaloacetato
●
citrato
●
isocitrato
●
cis-aconitato
Guzman y Martin, Astrobiology, 2009, 9 (9)
lactato piruvatoO
O
O-HO
O
O-+ 2 H+ + 2e-
acetato (C2)
piruvato (C3)
oxaloacetato (C4)
malato (C4) fumarato (C4)
succinato (C4)
α-cetoglutarato (C5)
isocitrato (C6)cis-aconitato (C6)citrato (C6)
(II a)
(I a)
(I b)
2 H+, 2 e-
CO2
2 H+, 2 e-
H+, 2 e-, CO2
2 H+, 2 e-, CO2
2 H+, 2 e-, CO2
lactato (C3) (II a)
(I a)
H2O
2 H+, 2 e-
4 H+, 4 e-, CO2
H2O
H+
(II b)
H2O
pyruvate + H2OHO
O
O- O
O
O-
O
O
-O
O
O-
OH
O
-O
O
O-
O
O-
O
-O
O
O-
O
-O
O
O-
O
O-
O
-O
O
OH
O
O-
O
O-
O
O-
OH
O
-O
O
O-
O
O
O
O-
O O-
O
-O
H2O
H2O
Reacciones de Metabolismo Prebiótico Observadas
70% 50%
80% 90%
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard Guzman y Martin, Astrobiology, 2009, 9 (9)
1er
estudio
cinético
Selectividad
ReaccionesAnapleróticas
Gracias
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
http://ciencia.nasa.gov http://spaceplace.nasa.gov/espanol
Preguntas
1)
¿Cuál es la diferencia entre una vaca viva y una que acaba de morir?
Ambas
tienen la misma cantidad de ARN y ADN, y todas las reacciones que involucran a los ácidos nucleicos siguen activas por un tiempo. ¿Por qué
la vaca muerta está
muerta?
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
Preguntas
2) ¿Está usted de acuerdo con la realización de experimentos para verificar los modelos del metabolismo sin enzimas? ¿Agregaría o modificaría algo?
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
Preguntas3) La misión espacial de la NASA con el telescopio Kepler
fue
lanzada al espacio el 6 de Marzo de 2009 para buscar planetas similares a la Tierra. En los próximos 3 a 5 años va a reunir gran cantidad de información científica acerca de la presencia de planetas de tamaño similar al nuestro y que estén situados a una distancia de su estrella que permita la presencia de agua líquida en la superficie. Si el costo aproximado de la misión es de U$S
500 millones, y el
costo de un hospital completamente equipado puede llegar a los U$S
100 millones en iberoamérica, ¿considera que la
misión es una buena inversión? ¿Adónde invertiría usted el dinero?
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
Preguntas4) La ley de Henry: Pi = Ki xi,Ki : constante de equilibrio de la especie i entre las fases líquida y gaseosaxi : fracción molar de la especie iPi : presion parcial de i
Para el CO2
a 25 ºC, Ki = 0.167 ×
109
Pa. La concentración de este gas disuelto en el océano es:
Calcular la concentración de CO2
disuelto para una atmósfera prebiótica con una relación de N2
y CO2
de 90:10 y una presión total de i) 1 y ii) 10 bar.
[ ] -122 (g) 9
[55.5]CO mol L
0.167 10COP
=×
Mundo Prebiótico (4.0 ~ 3.5 Ga)
Atmósfera Prebiótica:CO2
: 0.1-10 atmN2
: ~0.8 atmCO: 10-5-10-4
atmH2
S:10-5-10-3
atmCH4
: ~10-4
atmH2
: < 10-3
atmO2
: < 10-6
atm
Radiación
UV
(λ
> 200 nm): 6×10-3
Einstein
·seg-1
Océano Prebiótico:Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Cl-, H4
SiO4
, HCO3-
Marcelo I. Guzmán, Universidad de Harvard
1 Giga-año (Ga) = 109
Lípidos
Grupocarboxílico
ácido esteárico(18 carbonos)
Cadenahidrocarbonada
ácido oleicoInsaturado
(18 carbonos)
glicerol
http://www.fieldmuseum.org