Diferencia entre revisiones de «Hipótesis del mundo de ARN»

De Wikipedia, la enciclopedia libre
Explorar historial interactivamente
← Ir a diferencia anteriorIr a siguiente diferencia →
Contenido eliminado Contenido añadido
VisualWikitexto
148LENIN (discusión · contribs.)
29 676 ediciones
148LENIN (discusión · contribs.)
29 676 ediciones
mSin resumen de edición
Línea 55: Línea 55:
{{cita publicación|título=Chiral selection in poly(C)-directed synthesis of oligo(G)|autor=Joyce GF|coautores=Visser GM, van Boeckel CA, van Boom JH, Orgel LE, van Westrenen J.|revista=Nature|id=PMID 6462250|fecha = Aug de 1984|número=5978|volumen=310|páginas=602-4}}</ref>
{{cita publicación|título=Chiral selection in poly(C)-directed synthesis of oligo(G)|autor=Joyce GF|coautores=Visser GM, van Boeckel CA, van Boom JH, Orgel LE, van Westrenen J.|revista=Nature|id=PMID 6462250|fecha = Aug de 1984|número=5978|volumen=310|páginas=602-4}}</ref>


Los ribonucleósidos de pirimidina y sus respectivos nucleótidos se han sintetizado prebióticamente mediante una secuencia de reacciones que pasan por alto los azúcares libres y se ensamblan de manera escalonada al incluir químicas nitrogenadas y oxigenadas. En una serie de publicaciones, [[John Sutherland]] y su equipo de investigadores demostraron rutas de alto rendimiento para los ribonucleótidos de citidina y uridina construidos a partir de pequeños fragmentos de 2 y 3 carbonos, como glicolaldehído, gliceraldehído o gliceraldehído-3. -fosfato, cianamida y cianoacetileno. Uno de los pasos de esta secuencia permite el aislamiento deenantiopure ribosa aminooxazolina si el exceso enantiomérico de gliceraldehído es del 60% o más, de posible interés hacia la homoquiralidad biológica. Esto puede verse como una etapa de purificación prebiótica, en la que dicho compuesto cristalizó espontáneamente a partir de una mezcla de las otras pentosas aminooxazolinas. Las aminooxazolinas pueden reaccionar con cianoacetileno de una manera suave y altamente eficiente, controlada por fosfato inorgánico, para dar ribonucleótidos de citidina. La fotoanomerización con luz ultravioleta permite la inversión alrededor del centro anomérico 1 'para dar la estereoquímica beta correcta; un problema con esta química es la fosforilación selectiva de alfa-citidina en la posición 2 '. Sin embargo, en 2009, demostraron que los mismos bloques de construcción simples permiten el acceso, a través de la elaboración de nucleobase controlada por fosfato, a nucleótidos de pirimidina cíclica 2 ', 3'-directamente, que se sabe que pueden polimerizar en ARN. La química orgánica de [[Donna Blackmond]] describió este hallazgo como "evidencia sólida" a favor del mundo del ARN. Sin embargo, John Sutherland dijo que si bien el trabajo de su equipo sugiere que los ácidos nucleicos desempeñaron un papel temprano y central en el origen de la vida, no necesariamente respaldaba la hipótesis del mundo del ARN en sentido estricto, que describió como un "restrictivo, arreglo hipotético".<ref>{{cite journal | authors = Levy M, Miller SL | title = The stability of the RNA bases: implications for the origin of life | journal = Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America | volume = 95 | issue = 14 | pages = 7933–8 | date = Jul 1998 | pmid = 9653118 | pmc = 20907 | doi = 10.1073/pnas.95.14.7933 | bibcode = 1998PNAS...95.7933L | doi-access = free }}</ref><ref>{{cite journal | authors = Larralde R, Robertson MP, Miller SL | title = Rates of decomposition of ribose and other sugars: implications for chemical evolution | journal = Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America | volume = 92 | issue = 18 | pages = 8158–60 | date = Aug 1995 | pmid = 7667262 | pmc = 41115 | doi = 10.1073/pnas.92.18.8158 | bibcode = 1995PNAS...92.8158L | doi-access = free }}</ref><ref>{{cite journal | authors = Joyce GF, Visser GM, van Boeckel CA, van Boom JH, Orgel LE, van Westrenen J | title = Chiral selection in poly(C)-directed synthesis of oligo(G) | journal = Nature | volume = 310 | issue = 5978 | pages = 602–4 | year = 1984 | pmid = 6462250 | doi = 10.1038/310602a0 | bibcode = 1984Natur.310..602J | s2cid = 4367383 }}</ref><ref name="pmid18798212">{{cite journal | authors = Powner MW, Sutherland JD | title = Potentially prebiotic synthesis of pyrimidine beta-D-ribonucleotides by photoanomerization/hydrolysis of alpha-D-cytidine-2'-phosphate | journal = ChemBioChem | volume = 9 | issue = 15 | pages = 2386–7 | year = 2008 | pmid = 18798212 | doi = 10.1002/cbic.200800391 | s2cid = 5704391 }}</ref>
Los ribonucleósidos de pirimidina y sus respectivos nucleótidos se han sintetizado prebióticamente mediante una secuencia de reacciones que pasan por alto los azúcares libres y se ensamblan de manera escalonada al incluir químicas nitrogenadas y oxigenadas. En una serie de publicaciones, [[John Sutherland]] y su equipo de investigadores demostraron rutas de alto rendimiento para los ribonucleótidos de citidina y uridina construidos a partir de pequeños fragmentos de 2 y 3 carbonos, como glicolaldehído, gliceraldehído o gliceraldehído-3. -fosfato, cianamida y cianoacetileno. Uno de los pasos de esta secuencia permite el aislamiento deenantiopure ribosa aminooxazolina si el exceso enantiomérico de gliceraldehído es del 60% o más, de posible interés hacia la homoquiralidad biológica. Esto puede verse como una etapa de purificación prebiótica, en la que dicho compuesto cristalizó espontáneamente a partir de una mezcla de las otras pentosas aminooxazolinas. Las aminooxazolinas pueden reaccionar con cianoacetileno de una manera suave y altamente eficiente, controlada por fosfato inorgánico, para dar ribonucleótidos de citidina. La fotoanomerización con luz ultravioleta permite la inversión alrededor del centro anomérico 1 'para dar la estereoquímica beta correcta; un problema con esta química es la fosforilación selectiva de alfa-citidina en la posición 2 '. Sin embargo, en 2009, demostraron que los mismos bloques de construcción simples permiten el acceso, a través de la elaboración de nucleobase controlada por fosfato, a nucleótidos de pirimidina cíclica 2 ', 3'-directamente, que se sabe que pueden polimerizar en ARN. La química orgánica de [[Donna Blackmond]] describió este hallazgo como "evidencia sólida" a favor del mundo del ARN. Sin embargo, John Sutherland dijo que si bien el trabajo de su equipo sugiere que los ácidos nucleicos desempeñaron un papel temprano y central en el origen de la vida, no necesariamente respaldaba la hipótesis del mundo del ARN en sentido estricto, que describió como un "restrictivo, arreglo hipotético".<ref>{{cite journal | authors = Levy M, Miller SL | title = The stability of the RNA bases: implications for the origin of life | journal = Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America | volume = 95 | issue = 14 | pages = 7933–8 | date = Jul 1998 | pmid = 9653118 | pmc = 20907 | doi = 10.1073/pnas.95.14.7933 | bibcode = 1998PNAS...95.7933L | doi-access = free }}</ref><ref>{{cite journal | authors = Larralde R, Robertson MP, Miller SL | title = Rates of decomposition of ribose and other sugars: implications for chemical evolution | journal = Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America | volume = 92 | issue = 18 | pages = 8158–60 | date = Aug 1995 | pmid = 7667262 | pmc = 41115 | doi = 10.1073/pnas.92.18.8158 | bibcode = 1995PNAS...92.8158L | doi-access = free }}</ref><ref>{{cite journal | authors = Joyce GF, Visser GM, van Boeckel CA, van Boom JH, Orgel LE, van Westrenen J | title = Chiral selection in poly(C)-directed synthesis of oligo(G) | journal = Nature | volume = 310 | issue = 5978 | pages = 602–4 | year = 1984 | pmid = 6462250 | doi = 10.1038/310602a0 | bibcode = 1984Natur.310..602J | s2cid = 4367383 }}</ref><ref name="pmid18798212">{{cite journal | authors = Powner MW, Sutherland JD | title = Potentially prebiotic synthesis of pyrimidine beta-D-ribonucleotides by photoanomerization/hydrolysis of alpha-D-cytidine-2'-phosphate | journal = ChemBioChem | volume = 9 | issue = 15 | pages = 2386–7 | year = 2008 | pmid = 18798212 | doi = 10.1002/cbic.200800391 | s2cid = 5704391 }}</ref><ref>Carole Anastasi, Michael A. Crowe, Matthew W. Powner, John D. Sutherland "Direct Assembly of Nucleoside Precursors from Two- and Three-Carbon Units ''Angewandte Chemie International Edition'' '''45'''(37):6176–79, 2006.</ref>


El artículo de 2009 del grupo Sutherland también destacó la posibilidad de fotodesinfección de los fosfatos pirimidina-2 ', 3'-cíclicos. Una debilidad potencial de estas rutas es la generación de gliceraldehído enantio enriquecido, o su derivado 3-fosfato (el gliceraldehído prefiere existir como su cetotautómero dihidroxiacetona).
El artículo de 2009 del grupo Sutherland también destacó la posibilidad de fotodesinfección de los fosfatos pirimidina-2 ', 3'-cíclicos. Una debilidad potencial de estas rutas es la generación de gliceraldehído enantio enriquecido, o su derivado 3-fosfato (el gliceraldehído prefiere existir como su cetotautómero dihidroxiacetona).
Línea 65: Línea 65:
== Detalles del mundo de ARN ==
== Detalles del mundo de ARN ==


=== Síntesis de ARN ===
=== Síntesis prebiótica del ARN ===


Los nucleótidos son las moléculas fundamentales que se combinan en serie para formar ARN. Consisten en una base nitrogenada unida a un esqueleto de azúcar-fosfato. El ARN está formado por largos tramos de nucleótidos específicos dispuestos de modo que su secuencia de bases lleve información. La hipótesis del mundo del ARN sostiene que en la sopa primordial (o sándwich), existían nucleótidos flotantes. Estos nucleótidos formaban regularmente enlaces entre sí, que a menudo se rompían porque el cambio de energía era muy bajo. Sin embargo, ciertas secuencias de pares de bases tienen propiedades catalíticas que reducen la energía de su cadena que se crea, lo que les permite permanecer juntas durante períodos de tiempo más largos. A medida que cada cadena se hacía más larga, atraía más nucleótidos coincidentes más rápido, lo que provocaba que las cadenas se formaran más rápido de lo que se estaban rompiendo.


⚫
Los nucleótidos son moléculas fundamentales que se combinan en serie para formar ARN. Consisten en una base nitrogenada unida a un esqueleto de azúcar-fosfato. El ARN está compuesto por largos tramos de nucleótidos específicos ordenados de tal modo que su secuencia de bases porta información. La hipótesis del mundo de ARN sostiene que en el [[caldo primigenio]] o [[sandwich primigenio]] existirían ya los nucleótidos en disolución. Estos nucleótidos formarían enlaces de forma regular con otros, que se romperían porque el cambio de energía era bajo. No obstante, ciertas secuencias de pares de bases tendrían propiedades catalíticas que disminuirían la energía para generar su cadena, haciendo que permanecieran juntos por periodos de tiempo más largos. A medida que se alargaba la cadena iba atrayendo los nucleótidos que encajaban de forma más rápida, haciendo que la cadena se formara más rápidamente que su velocidad de degradación. En los meteoritos metálicos es relativamente abundante el fosfuro de hierro y níquel, un mineral que en contacto con el agua libera radicales fosfato solubles en agua.<ref>{{cite journal | last1 = Kumar | first1 = Atul | first2 = Siddharth | last2 = Sharma | first3 = Ram Awatar | last3 = Maurya | name-list-style = vanc | title = Single Nucleotide-Catalyzed Biomimetic Reductive Amination | journal = Advanced Synthesis and Catalysis | volume = 352 | pages = 2227–2232 | year = 2010 | doi = 10.1002/adsc.201000178 | issue = 13 }}</ref>
⚫
Algunos han propuesto estas cadenas como las primeras formas primitivas de vida. En un mundo de ARN, diferentes conjuntos de cadenas de ARN habrían tenido diferentes resultados de replicación, lo que habría aumentado o disminuido su frecuencia en la población, es decir, la selección natural . A medida que los conjuntos de moléculas de ARN más aptos aumentaron su número, nuevas propiedades catalíticas agregadas por mutación, que beneficiaron su persistencia y expansión, podrían acumularse en la población. Se ha identificado un conjunto de ribozimas autocatalítico de este tipo, capaz de autorreplicarse en aproximadamente una hora. Fue producido por competencia molecular (evolución in vitro) de mezclas de enzimas candidatas.


⚫
Algunos investigadores han propuesto estas cadenas como las primeras formas primitivas de vida. En un mundo de ARN, diferentes conjuntos de cadenas de ARN habrían tenido diferentes resultados de replicación, lo que habría aumentado o disminuido su frecuencia en la población, es decir, la selección natura. A medida que los conjuntos de moléculas de ARN más aptos aumentaron su número, nuevas propiedades catalíticas agregadas por mutación, que beneficiaron su persistencia y expansión, podrían acumularse en la población. Se ha identificado un conjunto de ribozimas autocatalítico de este tipo, capaz de autorreplicarse en aproximadamente una hora. Fue producido por competencia molecular (evolución in vitro) de mezclas de enzimas candidatas.<ref>{{cite journal | authors = Lincoln TA, Joyce GF | title = Self-sustained replication of an RNA enzyme | journal = Science | volume = 323 | issue = 5918 | pages = 1229–32 | date = Feb 2009 | pmid = 19131595 | pmc = 2652413 | doi = 10.1126/science.1167856 | lay-date = January 12, 2009 | lay-source = Medical News Today | lay-url = http://www.medicalnewstoday.com/articles/135031.php | bibcode = 2009Sci...323.1229L }}</ref>
⚫
La competencia entre ARN puede haber favorecido el surgimiento de la cooperación entre diferentes cadenas de ARN, abriendo el camino para la formación de la primera protocélula . Finalmente, las cadenas de ARN se desarrollaron con propiedades catalíticas que ayudan a que los aminoácidos se unan (un proceso llamado enlace peptídico). Estos aminoácidos podrían ayudar con la síntesis de ARN, dando a las cadenas de ARN que podrían servir como ribozimas la ventaja selectiva. Se ha demostrado la capacidad de catalizar un paso en la síntesis de proteínas, la aminoacilación del ARN, en un segmento corto (cinco nucleótidos) de ARN.


⚫
La competencia entre ARN puede haber favorecido el surgimiento de la cooperación entre diferentes cadenas de ARN, abriendo el camino para la formación del primer protobionte. Finalmente, las cadenas de ARN se desarrollaron con propiedades catalíticas que ayudan a que los aminoácidos se unan (un proceso llamado enlace peptídico). Estos aminoácidos podrían ayudar con la síntesis de ARN, dando a las cadenas de ARN que podrían servir como ribozimas la ventaja selectiva. Se ha demostrado la capacidad de catalizar un paso en la síntesis de proteínas, la aminoacilación del ARN, en un segmento corto (cinco nucleótidos) de ARN.<ref>{{cite journal | authors = Turk RM, Chumachenko NV, Yarus M | title = Multiple translational products from a five-nucleotide ribozyme | journal = Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America | volume = 107 | issue = 10 | pages = 4585–9 | date = Mar 2010 | pmid = 20176971 | pmc = 2826339 | doi = 10.1073/pnas.0912895107 | lay-url = https://www.sciencedaily.com/releases/2010/02/100222162009.htm | lay-date = February 24, 2010 | lay-source = ScienceDaily | bibcode = 2010PNAS..107.4585T | doi-access = free }}</ref>
⚫
En marzo de 2015, los científicos de la NASA informaron que, por primera vez, compuestos orgánicos complejos de ADN y ARN de la vida , incluidos uracilo, citosina y timina, se formaron en el laboratorio en condiciones que solo se encuentran en el espacio exterior, utilizando sustancias químicas de partida, como pirimidina, que se encuentra en meteoritos. La pirimidina, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), pueden haberse formado en estrellas gigantes rojas o en polvo interestelar y nubes de gas, según los científicos.


⚫
En marzo de 2015, los científicos de la NASA informaron que, por primera vez, compuestos orgánicos complejos de ADN y ARN de la vida , incluidos uracilo, citosina y timina, se formaron en el laboratorio en condiciones que solo se encuentran en el espacio exterior, utilizando sustancias químicas de partida, como pirimidina, que se encuentra en meteoritos. La pirimidina, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), pueden haberse formado en estrellas gigantes rojas o en polvo interestelar y nubes de gas, según los científicos.<ref name="NASA-20150303">{{cite web |last=Marlaire |first=Ruth |name-list-style=vanc |title=NASA Ames Reproduces the Building Blocks of Life in Laboratory |url=https://www.nasa.gov/content/nasa-ames-reproduces-the-building-blocks-of-life-in-laboratory |date=3 March 2015 |work=[[NASA]] |access-date=5 March 2015 |url-status=live |archive-url=https://web.archive.org/web/20150305083306/http://www.nasa.gov/content/nasa-ames-reproduces-the-building-blocks-of-life-in-laboratory/ |archive-date=5 March 2015 }}</ref>
⚫
En 2018, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia identificaron tres candidatos moleculares para las bases que podrían haber formado una versión más temprana del proto-ARN: ácido barbitúrico , melamina y 2,4,6-triaminopirimidina (TAP). Estas tres moléculas son versiones más simples de las cuatro bases en el ARN actual, que podrían haber estado presentes en cantidades mayores y aún podrían ser compatibles con ellas, pero pueden haber sido descartadas por la evolución a cambio de pares de bases más óptimos. Específicamente, TAP puede formar nucleótidos con una amplia gama de azúcares. Tanto el TAP como la base de melamina se emparejan con ácido barbitúrico. Los tres forman nucleótidos espontáneamente con ribosa.


⚫
En 2018, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia identificaron tres candidatos moleculares para las bases que podrían haber formado una versión más temprana del proto-ARN: ácido barbitúrico , melamina y 2,4,6-triaminopirimidina (TAP). Estas tres moléculas son versiones más simples de las cuatro bases en el ARN actual, que podrían haber estado presentes en cantidades mayores y aún podrían ser compatibles con ellas, pero pueden haber sido descartadas por la evolución a cambio de pares de bases más óptimos. Específicamente, [[TAP]] puede formar nucleótidos con una amplia gama de azúcares. Tanto el TAP como la base de melamina se emparejan con ácido barbitúrico. Los tres forman nucleótidos espontáneamente con ribosa.<ref>{{cite journal |last1=Fialho |first1=DM |last2=Clarke |first2=KC |last3=Moore |first3=MK |last4=Schuster |first4=GB |last5=Krishnamurthy |first5=R |last6=Hud |first6=NV |title=Glycosylation of a model proto-RNA nucleobase with non-ribose sugars: implications for the prebiotic synthesis of nucleosides. |journal=Organic & Biomolecular Chemistry |date=21 February 2018 |volume=16 |issue=8 |pages=1263–1271 |doi=10.1039/c7ob03017g |pmid=29308815}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Cafferty |first1=Brian J. |last2=Fialho |first2=David M. |last3=Khanam |first3=Jaheda |last4=Krishnamurthy |first4=Ramanarayanan |last5=Hud |first5=Nicholas V. |title=Spontaneous formation and base pairing of plausible prebiotic nucleotides in water |journal=Nature Communications |date=25 April 2016 |volume=7 |issue=1 |pages=11328 |doi=10.1038/ncomms11328|pmid=27108699 |pmc=4848480 |bibcode=2016NatCo...711328C }}</ref>
⚫
Una propuesta interesante es la idea de que la síntesis de ARN podría haber sido impulsada por gradientes de temperatura, en el proceso de termosíntesis. Se ha demostrado que los nucleótidos simples catalizan reacciones orgánicas.


⚫
Una propuesta interesante es la idea de que la síntesis de ARN podría haber sido impulsada por gradientes de temperatura, en el proceso de termosíntesis. Se ha demostrado que los nucleótidos simples catalizan reacciones orgánicas.<ref>{{cite journal | authors = Muller AW | title = Thermosynthesis as energy source for the RNA World: a model for the bioenergetics of the origin of life | journal = Bio Systems | volume = 82 | issue = 1 | pages = 93–102 | date = Oct 2005 | pmid = 16024164 | doi = 10.1016/j.biosystems.2005.06.003 }}</ref>
=== Mecanismos propuestos para la síntesis prebiótica de ARN ===

⚫
Los nucleótidos son moléculas fundamentales que se combinan en serie para formar ARN. Consisten en una base nitrogenada unida a un esqueleto de azúcar-fosfato. El ARN está compuesto por largos tramos de nucleótidos específicos ordenados de tal modo que su secuencia de bases porta información. La hipótesis del mundo de ARN sostiene que en el [[caldo primigenio]] o [[sandwich primigenio]] existirían ya los nucleótidos en disolución. Estos nucleótidos formarían enlaces de forma regular con otros, que se romperían porque el cambio de energía era bajo. No obstante, ciertas secuencias de pares de bases tendrían propiedades catalíticas que disminuirían la energía para generar su cadena, haciendo que permanecieran juntos por periodos de tiempo más largos. A medida que se alargaba la cadena iba atrayendo los nucleótidos que encajaban de forma más rápida, haciendo que la cadena se formara más rápidamente que su velocidad de degradación. En los meteoritos metálicos es relativamente abundante el fosfuro de hierro y níquel, un mineral que en contacto con el agua libera radicales fosfato solubles en agua.

Se ha propuesto que estas cadenas eran las primeras y más primitivas formas de vida. En el mundo de ARN las diferentes cadenas competían entre ellas por los nucleótidos libres y estaban sujetas a la [[selección natural]]. Las moléculas más eficientes de ARN, aquellas capaces de catalizar eficientemente su propia reproducción, sobrevivían y evolucionaban, formando el moderno ARN.

La competición entre los ARN pudo haber favorecido el surgimiento de una cooperación entre cadenas diferentes, abriendo la vía para la formación de las primeras protocélulas. En algún momento las cadenas de ARN desarrollaron al azar propiedades catalíticas que ayudaban a los [[aminoácido]]s a unirse mediante [[péptido|enlaces peptídicos]]. Estos aminoácidos podrían entonces contribuir a la síntesis de ARN, proporcionando a esas cadenas de ARN que actuaban como ribozimas una ventaja selectiva. Con el tiempo fueron reclutadas para la vida el ADN, los lípidos, los carbohidratos y todos los tipos de sustancias químicas que hoy forman parte de ella. Esto condujo a la aparición de las primeras células procariotas y finalmente a la vida tal y como la vemos actualmente.


=== Mundo de ARN-péptidos ===
=== Mundo de ARN-péptidos ===


Se ha propuesto que el sistema de molécula dual que vemos hoy, donde se necesita una molécula basada en nucleótidos para sintetizar proteínas, y se necesita una molécula basada en [[péptido]]s (proteína) para producir [[polímero]]s de ácidos nucleicos, representa la forma original de vida. Esta teoría se llama coevolución de ARN-péptido, o el mundo péptido-ARN, y ofrece una posible explicación para la rápida evolución de la replicación de alta calidad en el ARN (dado que las proteínas son catalizadores), con la desventaja de tener que postular la formación coincidente de dos moléculas complejas, una enzima (a partir de péptidos ) y un ARN (de nucleótidos). En este escenario del mundo péptido-ARN, el ARN habría contenido las instrucciones para la vida, mientras que los péptidos (enzimas proteicas simples) habrían acelerado reacciones químicas clave para llevar a cabo esas instrucciones. El estudio deja abierta la pregunta de cómo exactamente esos sistemas primitivos lograron replicarse a sí mismos, algo que ni la hipótesis del mundo del ARN ni la hipótesis del mundo del ARN-péptido pueden explicar todavía, a menos que las polimerasas(enzimas que ensamblan rápidamente la molécula de ARN) jugaron un papel.
Se ha propuesto que el sistema de molécula dual que vemos hoy, donde se necesita una molécula basada en nucleótidos para sintetizar proteínas, y se necesita una molécula basada en [[péptido]]s (proteína) para producir [[polímero]]s de ácidos nucleicos, representa la forma original de vida. Esta teoría se llama coevolución de ARN-péptido, o el mundo péptido-ARN, y ofrece una posible explicación para la rápida evolución de la replicación de alta calidad en el ARN (dado que las proteínas son catalizadores), con la desventaja de tener que postular la formación coincidente de dos moléculas complejas, una enzima (a partir de péptidos ) y un ARN (de nucleótidos). En este escenario del mundo péptido-ARN, el ARN habría contenido las instrucciones para la vida, mientras que los péptidos (enzimas proteicas simples) habrían acelerado reacciones químicas clave para llevar a cabo esas instrucciones. El estudio deja abierta la pregunta de cómo exactamente esos sistemas primitivos lograron replicarse a sí mismos, algo que ni la hipótesis del mundo del ARN ni la hipótesis del mundo del ARN-péptido pueden explicar todavía, a menos que las polimerasas(enzimas que ensamblan rápidamente la molécula de ARN) jugaron un papel.<ref>{{cite journal | authors = Kunin V | title = A system of two polymerases--a model for the origin of life | journal = Origins of Life and Evolution of the Biosphere | volume = 30 | issue = 5 | pages = 459–66 | date = Oct 2000 | pmid = 11002892 | doi = 10.1023/A:1006672126867 | bibcode = 2000OLEB...30..459K | s2cid = 5616924 }}</ref><ref name="pascal">{{Citation | last = Pascal| first = Robert | contribution = A scenario starting from the first chemical building blocks| year = 2007 | title = From Suns to Life: A Chronological Approach to the History of Life on Earth | editor-last = Reisse | editor-first = Jacques | pages = 163–166 | publisher = Springer Science & Business Media | isbn = 978-0-387-45083-4}}</ref>


Un proyecto de investigación completado en marzo de 2015 por el grupo Sutherland descubrió que una red de reacciones que comienzan con cianuro de hidrógeno y sulfuro de hidrógeno, en corrientes de agua irradiadas con luz ultravioleta, podrían producir los componentes químicos de proteínas y lípidos, junto con los del ARN. Los investigadores utilizaron el término "cianosulfídico" para describir esta red de reacciones. En noviembre de 2017, un equipo del Instituto de Investigación Scripps identificó reacciones que involucraban al compuesto diamidofosfato que podrían haber vinculado los componentes químicos en cadenas cortas de péptidos y lípidos, así como cadenas cortas de nucleótidos similares al ARN.
Un proyecto de investigación completado en marzo de 2015 por el grupo Sutherland descubrió que una red de reacciones que comienzan con cianuro de hidrógeno y sulfuro de hidrógeno, en corrientes de agua irradiadas con luz ultravioleta, podrían producir los componentes químicos de proteínas y lípidos, junto con los del ARN. Los investigadores utilizaron el término "cianosulfídico" para describir esta red de reacciones. En noviembre de 2017, un equipo del Instituto de Investigación Scripps identificó reacciones que involucraban al compuesto diamidofosfato que podrían haber vinculado los componentes químicos en cadenas cortas de péptidos y lípidos, así como cadenas cortas de nucleótidos similares al ARN.<ref name="patel">{{cite journal | authors = Patel BH, Percivalle C, Ritson DJ, Duffy CD, Sutherland JD | title = Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism | journal = Nature Chemistry | volume = 7 | issue = 4 | pages = 301–7 | date = Apr 2015 | pmid = 25803468 | doi = 10.1038/nchem.2202 |bibcode = 2015NatCh...7..301P | author-link5 = John Sutherland (chemist) | pmc=4568310}}</ref><ref>{{cite journal | doi = 10.1038/nchem.2878 | volume=10 | title=Phosphorylation, oligomerization and self-assembly in water under potential prebiotic conditions | year=2018 | journal=Nature Chemistry | pages=212–217 | last1 = Gibard | first1 = Clémentine | last2 = Bhowmik | first2 = Subhendu | last3 = Karki | first3 = Megha | last4 = Kim | first4 = Eun-Kyong | last5 = Krishnamurthy | first5 = Ramanarayanan| issue=2 | pmid=29359747 | pmc=6295206 }}</ref><ref>{{cite news |last=Service |first=Robert F. |date=16 March 2015 |title=Researchers may have solved origin-of-life conundrum |url=http://news.sciencemag.org/biology/2015/03/researchers-may-have-solved-origin-life-conundrum |work=Science |type=News |location=Washington, D.C. |publisher=American Association for the Advancement of Science |issn=1095-9203 |access-date=2015-07-26 |url-status=live |archive-url=https://web.archive.org/web/20150812103559/http://news.sciencemag.org/biology/2015/03/researchers-may-have-solved-origin-life-conundrum |archive-date=12 August 2015 }}</ref>


=== El acervo genético primordial y transición del ARN al ADN ===
=== El acervo genético primordial y transición del ARN al ADN ===

Revisión del 18:49 18 dic 2021

ARN con sus bases nitrogenadas a la izquierda y ADN a la derecha.

La hipótesis del mundo de ARN es uno de los principales candidatos a la abiogénesis. Propone que la vida en la Tierra surgió a partir de la versátil actividad de las moléculas de ARN, las cuales posteriormente originarían moléculas capaces de sintetizar proteínas y las moléculas de ADN. Estas moléculas al rodearse con liposomas formarían las primeras células.[1]​[2]​[3]​[4]​

Historia del mundo del ARN

En 1963 el biólogo molecular Alexander Rich del MIT especuló sobre esta idea en un artículo en el que contribuía a un volumen publicado en honor al fisiólogo y premio Nobel Albert Szent-Györgyi. La idea de una vida independiente basada en el ARN se puede encontrar en 1968 en el libro ''El código genético'' (The Genetic Code: the Molecular basis for Genetic Expression) de Carl Woese.[5]​ La expresión "Mundo de ARN" fue empleada por primera vez por el premio nobel Walter Gilbert en 1986, al hilo de un comentario respecto de las recientes observaciones sobre las propiedades catalíticas de algunas formas de ARN.[6]​ En 1989, Theodor Otto Diener propuso que fueron viroides los que caracterizaron el mundo precelular de ARN,[7]​ teoría que viene sustentada actualmente con nuevas evidencias.[8]​ Es ampliamente conocido por su trabajo en dilucidar la estructura tridimensional del ARN de transferencia, que es un componente del mecanismo de síntesis de proteínas, y por su descubrimiento de una forma levógira de ADN. El descubrimiento de ARNs que regulan la expresión génica ha permitido el desarrollo de medicamentos hechos de ARN, como los ARN pequeños de interferencia que silencian genes.

Propiedades del ARN

Artículo principal: Ácido ribonucleico
Esquema del mundo de ARN y el origen de la vida.

Las propiedades del ARN nos pueden dar una idea de la posibilidad conceptual de la hipótesis del mundo de ARN, aunque su plausibilidad como explicación del origen de la vida se encuentra debatida. Se sabe que el ARN es un eficiente catalizador y al igual que el ADN posee la capacidad de almacenar información.

Una versión de la hipótesis ligeramente distinta es que un tipo diferente de ácido nucleico, denominado "pre-ARN" fuera el primero en surgir como molécula autorreproductora, para ser reemplazado por el ARN solo después. Estos ácidos nucleicos a menudo se producen y polimerizan más fácilmente bajo condiciones prebióticas. Algunos candidatos serían el ANP, el ANT y el ANG.[9]​ [10]​

El ARN como enzima

Artículo principal: Ribozima

Las enzimas de ARN o ribozimas ocurren en el actual "mundo de ADN". Las ribozimas desempeñan papeles de vital importancia. Las ribozimas son componentes esenciales de los ribosomas, los cuales son esenciales en la síntesis de proteínas. Pero también son posibles muchas otras funciones para las ribozimas aparte de la función de los ribosomas: la naturaleza emplea ampliamente el empalme de ARN, y la evolución dirigida ha creado ribozimas con una gran variedad de actividades. Entre las propiedades enzimáticas importantes para el comienzo de la vida se encuentran:[11]​

  • La capacidad de autoduplicación o de duplicar otras moléculas de ARN. Se han producido en el laboratorio moléculas relativamente cortas de ARN. Las más cortas eran de una longitud de 165 bases, aunque se ha estimado que sólo parte de estas bases eran cruciales para esta función. Una versión cuya longitud era de 189 pares de bases obtenía una fidelidad de copia del 98.9%,[12]​ lo que significaría que podría hacer una copia exacta de una molécula de ARN tan larga como ella misma de cada ocho copias, aunque esta ribozima de 189 bp como mucho podría polimerizar un molde de 14 nucleótidos de longitud, demasiado corto para considerarlo replicación, pero representa un gran comienzo. La mayor extensión de un cebador llevada a cabo por una ribozima de tipo polimerasa fue de 20 bp.[13]​ En 2016, los investigadores informaron sobre el uso de la evolución in vitro para mejorar drásticamente la actividad y la generalidad de una ribozima polimerasa de ARN mediante la selección de variantes que pueden sintetizar moléculas de ARN funcionales a partir de una plantilla de ARN. Cada ribozima de ARN polimerasa fue diseñada para permanecer ligada a su nueva cadena de ARN sintetizada; esto permitió al equipo aislar polimerasas exitosas. Las ARN polimerasas aisladas se utilizaron de nuevo para otra ronda de evolución. Después de varias rondas de evolución, obtuvieron una ribozima polimerasa de ARN llamada 24-3 que era capaz de copiar casi cualquier otro ARN, desde pequeños catalizadores hasta enzimas largas basadas en ARN. Se amplificaron ARN particulares hasta 10.000 veces, una primera versión de ARN de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR).[14]​
  • La capacidad de catalizar reacciones químicas sencillas que aumentan la creación de monómeros del ARN. Se han creado en el laboratorio moléculas relativamente pequeñas de ARN en el laboratorio con esa capacidad de manera artificial.[15]​[16]​ Un estudio reciente mostró que casi cualquier ácido nucleico puede evolucionar hacia una secuencia catalítica con la selección adecuada. Por ejemplo, un fragmento de ADN de 50 nucleótidos elegido arbitrariamente que codifica el ARNm de albúmina se sometió a evolución en probeta para derivar un ADN catalítico con actividad de escisión de ARN. Después de solo unas pocas semanas, había evolucionado una ADNzima con actividad catalítica significativa. En general, el ADN es mucho más químicamente inerte que el ARN y, por tanto, mucho más resistente a la obtención de propiedades catalíticas. Si la evolución in vitro funciona para el ADN, sucederá mucho más fácilmente con el ARN.
  • La capacidad de conjugar un aminoácido al extremo 3 'de un ARN para usar sus grupos químicos o proporcionar una cadena lateral alifática de ramificación larga.[17]​
  • La capacidad de formar enlaces peptídicos para producir péptidos cortos y, ocasionalmente, proteínas enteras. Esto se efectúa en las células modernas por los ribosomas, un complejo de dos moléculas grandes de ARN conocidas como ARN ribosómico junto con otras proteínas. Se piensa que las dos moléculas de ARNr son las responsables de esta actividad enzimática. Se ha creado en el laboratorio una molécula de ARN más corta capaz de formar enlaces peptídicos, y se ha sugerido que el ARNr evolucionó a partir de una molécula similar.[18]​ Así, también se ha sugerido que los aminoácidos podrían inicialmente complementarse con moléculas de ARN como cofactores mejorando o diversificando sus capacidades enzimáticas, antes de evolucionar a péptidos más complejos; el ARNm puede haber evolucionado con a partir de tales moléculas de ADN, y el ARNt de moléculas que hayan catalizado transferencias de aminoácidos de ellos.[19]​

ARN como almacén de información

El ARN es una molécula muy parecida al ADN y guarda dos diferencias químicas con éste, la estructura completa del ARN y del ADN son inmensamente similares. Una cadena de ADN y otra de ARN pueden unirse para formar una estructura de doble hélice. Esto hace posible el almacenamiento de información en el ARN de una forma muy parecida a la que se efectúa en el ADN.

Comparaciones de las estructuras del ADN y ARN

Artículos principales: ADN y ARN.

La principal diferencia es la presencia de un grupo hidroxilo en posición 2' del monosacárido ribosa en el ARN. Este grupo hace que la molécula sea menos estable. En las regiones flexibles del ARN (por ejemplo, las que no están constreñidas por la doble hélice) pueden ser atacadas químicamente por el enlace fosfodiéster adyacente de modo que se puede escindir. El grupo hidroxilo también fuerza a la ribosa a adoptar la conformación C3'-endo en lugar de la más habitual C2'-endo del ADN. Esto fuerza a la doble hélice a adoptar una conformación ligeramente diferente a la del ADN.

El ARN también utiliza un grupo de bases diferente -adenina, guanina, citosina y uracilo- en lugar de adenina, guanina, citosina y timina. El uracilo es químicamente similar a la timina, aunque emplea menos energía para producirse. En términos del apareamiento de bases esto no tiene ningún efecto, ya que la adenina puede unirse al uracilo perfectamente. Sin embargo, el uracilo es un producto de la trasmutación por daños de la citosina, haciendo que el ARN sea particularmente susceptible a mutaciones que pueden reemplazar un par de bases GC por GU o AU.[20]​

Se cree que el ARN ha precedido al ADN debido a su ordenamiento en las vías biosintéticas. Los desoxirribonucleótidos que se utilizan para producir ADN están hechos de ribonucleótidos, los componentes básicos del ARN, mediante la eliminación del grupo 2'-hidroxilo. Como consecuencia, una célula debe tener la capacidad de producir ARN antes de poder producir ADN.

Limitaciones en el almacenamiento de información en el ARN

No es fácil almacenar grandes cantidades de información en el ARN. Las propiedades químicas del ARN hacen que las moléculas grandes de ARN sean inherentemente frágiles y se puedan fragmentar con facilidad, siendo posteriormente descompuestas en nucleótidos por hidrólisis. Las bases aromáticas también absorben fuertemente la fracción ultravioleta del espectro y podrían haber sido susceptibles de daños y descomposición por la radiación de fondo.[21]​[22]​ Estas limitaciones no hacen que sea imposible la utilización del ARN para almacenar información, sino solamente exigente desde el punto de vista energético (para reparar o reemplazar las moléculas dañadas de ARN) y propensas a la mutación. Mientras que esto hace que sea poco adecuado en la actual vida "optimizada" basada en el ADN, lo pudo haber sido para la vida primitiva.

ARN como regulador

Se ha descubierto que los riboswitches actúan como reguladores de la expresión génica, particularmente en bacterias, pero también en plantas y arqueas. Los riboswitches alteran su estructura secundaria en respuesta a la unión de un metabolito. Este cambio en la estructura puede resultar en la formación o interrupción de un terminador, truncando o permitiendo la transcripción respectivamente. Alternativamente, los riboswitches pueden unir u ocluir la secuencia Shine-Dalgarno, afectando la traducción. Se ha sugerido que estos se originaron en un mundo basado en ARN. Además, termómetros de ARNregular la expresión génica en respuesta a los cambios de temperatura.[23]​[24]​[25]​

Apoyo y dificultades con la hipótesis

Cadena de ARN.

La hipótesis del mundo de ARN se basa en la capacidad del ARN de almacenar, transmitir y duplicar la información genética, de la misma forma que lo hace el ADN. El ARN puede actuar también como una ribozima (una enzima hecha de ácido ribonucleico). Debido a que puede reproducirse a sí misma, desarrollando las tareas del ADN y de las proteínas (enzimas), se piensa que el ARN fue capaz de tener su propia vida independiente. Así, mientras que no se encontraron nucleótidos en el Experimento de Miller y Urey, sí se encontraron en las simulaciones y experimentaciones de otros investigadores, especialmente en las de Juan Oró, quien sintentizó adenina a partir de ácido cianhídrico. Experimentos con las ribozimas básicas, como el ARN viral del bacteriófago Qβ, han demostrado que las estructuras de ARN autorreplicantes sencillas pueden resistir incluso a fuertes presiones selectivas (como los terminadores de cadena de quiralidad opuesta).[26]​

Walter Gilbert fue el primero en usar la expresión "mundo de ARN" en 1986. No obstante, la idea de vida ARN independiente es más antigua, y se puede encontrar en el libro de Carl Woese The Genetic Code.[27]​ Cinco años antes, el biólogo molecular Alexander Rich, del Massachusetts Institute of Technology, ya había propuesto gran parte de la misma idea en un artículo escrito para un volumen publicado en honor del premio Nobel de Fisiología Albert Szent-Györgyi.

Puesto que no existen rutas químicas para la síntesis abiogénica de nucleótidos a partir de las bases pirimidínicas de citosina y uracilo bajo condiciones prebióticas podría ser que los ácidos nucleicos no las contuvieran.[28]​ Resulta revelador que el nucleósido citosina tenga una vida media en aislamiento de 19 días a 100 °C y 17.000 años en agua helada, lo cual es aún muy corto para los tiempos a escala geológica.[29]​ El nucleósido citosina tiene una vida media aislada de 19 días a 100 ° C (212 ° F) y 17 000 años en agua helada, lo que algunos argumentan es demasiado corto en la escala de tiempo geológico para la acumulación. Otros autores ponen en cuestión que la ribosa y otros azúcares del esqueleto de los ácidos nucleicos puedan ser lo suficientemente estables como para encontrarse entre el material genético original.[30]​ Por ejemplo, se sabe que el enlace éster entre la ribosa y el ácido fosfórico en el ARN es propenso a la hidrólisis.[31]​ Además, la ribosa tiene que ser toda del mismo enantiómero, porque cualquier nucleótido con una quiralidad diferente actuaría como terminador de la cadena.[32]​

Los ribonucleósidos de pirimidina y sus respectivos nucleótidos se han sintetizado prebióticamente mediante una secuencia de reacciones que pasan por alto los azúcares libres y se ensamblan de manera escalonada al incluir químicas nitrogenadas y oxigenadas. En una serie de publicaciones, John Sutherland y su equipo de investigadores demostraron rutas de alto rendimiento para los ribonucleótidos de citidina y uridina construidos a partir de pequeños fragmentos de 2 y 3 carbonos, como glicolaldehído, gliceraldehído o gliceraldehído-3. -fosfato, cianamida y cianoacetileno. Uno de los pasos de esta secuencia permite el aislamiento deenantiopure ribosa aminooxazolina si el exceso enantiomérico de gliceraldehído es del 60% o más, de posible interés hacia la homoquiralidad biológica. Esto puede verse como una etapa de purificación prebiótica, en la que dicho compuesto cristalizó espontáneamente a partir de una mezcla de las otras pentosas aminooxazolinas. Las aminooxazolinas pueden reaccionar con cianoacetileno de una manera suave y altamente eficiente, controlada por fosfato inorgánico, para dar ribonucleótidos de citidina. La fotoanomerización con luz ultravioleta permite la inversión alrededor del centro anomérico 1 'para dar la estereoquímica beta correcta; un problema con esta química es la fosforilación selectiva de alfa-citidina en la posición 2 '. Sin embargo, en 2009, demostraron que los mismos bloques de construcción simples permiten el acceso, a través de la elaboración de nucleobase controlada por fosfato, a nucleótidos de pirimidina cíclica 2 ', 3'-directamente, que se sabe que pueden polimerizar en ARN. La química orgánica de Donna Blackmond describió este hallazgo como "evidencia sólida" a favor del mundo del ARN. Sin embargo, John Sutherland dijo que si bien el trabajo de su equipo sugiere que los ácidos nucleicos desempeñaron un papel temprano y central en el origen de la vida, no necesariamente respaldaba la hipótesis del mundo del ARN en sentido estricto, que describió como un "restrictivo, arreglo hipotético".[33]​[34]​[35]​[36]​[37]​

El artículo de 2009 del grupo Sutherland también destacó la posibilidad de fotodesinfección de los fosfatos pirimidina-2 ', 3'-cíclicos. Una debilidad potencial de estas rutas es la generación de gliceraldehído enantio enriquecido, o su derivado 3-fosfato (el gliceraldehído prefiere existir como su cetotautómero dihidroxiacetona).

Origen del ARN

El origen del ARN es un tema oscuro para el mundo de ARN, pero se ha postulado que un tipo de moléculas intermediarias denominadas pre-ARN precedieron al ARN verdadero y la hipótesis del mundo de HAP postula que los hidrocarburos aromáticos policíclicos precedieron a las moléculas de pre-ARN. Tras haber surgido el ARN, este precedería al ADN, argumento que ha sido demostrado experimentalmente. Por otro lado, el ARN no precedió a las proteínas ya que estas provendrían de péptidos, por lo que actualmente se considera que el ARN y las proteínas coevolucionaron hasta unirse y formar las enzimas y ribosomas.

Detalles del mundo de ARN

Síntesis prebiótica del ARN

Los nucleótidos son moléculas fundamentales que se combinan en serie para formar ARN. Consisten en una base nitrogenada unida a un esqueleto de azúcar-fosfato. El ARN está compuesto por largos tramos de nucleótidos específicos ordenados de tal modo que su secuencia de bases porta información. La hipótesis del mundo de ARN sostiene que en el caldo primigenio o sandwich primigenio existirían ya los nucleótidos en disolución. Estos nucleótidos formarían enlaces de forma regular con otros, que se romperían porque el cambio de energía era bajo. No obstante, ciertas secuencias de pares de bases tendrían propiedades catalíticas que disminuirían la energía para generar su cadena, haciendo que permanecieran juntos por periodos de tiempo más largos. A medida que se alargaba la cadena iba atrayendo los nucleótidos que encajaban de forma más rápida, haciendo que la cadena se formara más rápidamente que su velocidad de degradación. En los meteoritos metálicos es relativamente abundante el fosfuro de hierro y níquel, un mineral que en contacto con el agua libera radicales fosfato solubles en agua.[38]​

Algunos investigadores han propuesto estas cadenas como las primeras formas primitivas de vida. En un mundo de ARN, diferentes conjuntos de cadenas de ARN habrían tenido diferentes resultados de replicación, lo que habría aumentado o disminuido su frecuencia en la población, es decir, la selección natura. A medida que los conjuntos de moléculas de ARN más aptos aumentaron su número, nuevas propiedades catalíticas agregadas por mutación, que beneficiaron su persistencia y expansión, podrían acumularse en la población. Se ha identificado un conjunto de ribozimas autocatalítico de este tipo, capaz de autorreplicarse en aproximadamente una hora. Fue producido por competencia molecular (evolución in vitro) de mezclas de enzimas candidatas.[39]​

La competencia entre ARN puede haber favorecido el surgimiento de la cooperación entre diferentes cadenas de ARN, abriendo el camino para la formación del primer protobionte. Finalmente, las cadenas de ARN se desarrollaron con propiedades catalíticas que ayudan a que los aminoácidos se unan (un proceso llamado enlace peptídico). Estos aminoácidos podrían ayudar con la síntesis de ARN, dando a las cadenas de ARN que podrían servir como ribozimas la ventaja selectiva. Se ha demostrado la capacidad de catalizar un paso en la síntesis de proteínas, la aminoacilación del ARN, en un segmento corto (cinco nucleótidos) de ARN.[40]​

En marzo de 2015, los científicos de la NASA informaron que, por primera vez, compuestos orgánicos complejos de ADN y ARN de la vida , incluidos uracilo, citosina y timina, se formaron en el laboratorio en condiciones que solo se encuentran en el espacio exterior, utilizando sustancias químicas de partida, como pirimidina, que se encuentra en meteoritos. La pirimidina, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), pueden haberse formado en estrellas gigantes rojas o en polvo interestelar y nubes de gas, según los científicos.[41]​

En 2018, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia identificaron tres candidatos moleculares para las bases que podrían haber formado una versión más temprana del proto-ARN: ácido barbitúrico , melamina y 2,4,6-triaminopirimidina (TAP). Estas tres moléculas son versiones más simples de las cuatro bases en el ARN actual, que podrían haber estado presentes en cantidades mayores y aún podrían ser compatibles con ellas, pero pueden haber sido descartadas por la evolución a cambio de pares de bases más óptimos. Específicamente, TAP puede formar nucleótidos con una amplia gama de azúcares. Tanto el TAP como la base de melamina se emparejan con ácido barbitúrico. Los tres forman nucleótidos espontáneamente con ribosa.[42]​[43]​

Una propuesta interesante es la idea de que la síntesis de ARN podría haber sido impulsada por gradientes de temperatura, en el proceso de termosíntesis. Se ha demostrado que los nucleótidos simples catalizan reacciones orgánicas.[44]​

Mundo de ARN-péptidos

Se ha propuesto que el sistema de molécula dual que vemos hoy, donde se necesita una molécula basada en nucleótidos para sintetizar proteínas, y se necesita una molécula basada en péptidos (proteína) para producir polímeros de ácidos nucleicos, representa la forma original de vida. Esta teoría se llama coevolución de ARN-péptido, o el mundo péptido-ARN, y ofrece una posible explicación para la rápida evolución de la replicación de alta calidad en el ARN (dado que las proteínas son catalizadores), con la desventaja de tener que postular la formación coincidente de dos moléculas complejas, una enzima (a partir de péptidos ) y un ARN (de nucleótidos). En este escenario del mundo péptido-ARN, el ARN habría contenido las instrucciones para la vida, mientras que los péptidos (enzimas proteicas simples) habrían acelerado reacciones químicas clave para llevar a cabo esas instrucciones. El estudio deja abierta la pregunta de cómo exactamente esos sistemas primitivos lograron replicarse a sí mismos, algo que ni la hipótesis del mundo del ARN ni la hipótesis del mundo del ARN-péptido pueden explicar todavía, a menos que las polimerasas(enzimas que ensamblan rápidamente la molécula de ARN) jugaron un papel.[45]​[46]​

Un proyecto de investigación completado en marzo de 2015 por el grupo Sutherland descubrió que una red de reacciones que comienzan con cianuro de hidrógeno y sulfuro de hidrógeno, en corrientes de agua irradiadas con luz ultravioleta, podrían producir los componentes químicos de proteínas y lípidos, junto con los del ARN. Los investigadores utilizaron el término "cianosulfídico" para describir esta red de reacciones. En noviembre de 2017, un equipo del Instituto de Investigación Scripps identificó reacciones que involucraban al compuesto diamidofosfato que podrían haber vinculado los componentes químicos en cadenas cortas de péptidos y lípidos, así como cadenas cortas de nucleótidos similares al ARN.[47]​[48]​[49]​

El acervo genético primordial y transición del ARN al ADN

Esquema de las transiciones del mundo de ARN, indicando el origen de los diferentes tipos de virus y algunos elementos genómicos.
Viroides y virusoides, moléculas de ARN no codificante y sin transcripción de ADN.
Endornavirus, es un virus que consiste en una cadena de ARN unida a una ARN polimerasa, sin transcripción de ADN y da una imagen de como pudieron lucir las primeras moléculas de ARN codificantes sin transcripción.

Se ha propuesto que las hipotéticas moléculas autorreplicantes del mundo de ARN estuvieron conformadas por los elementos genómicos o secuencias de las células como los ribosomas, ribozimas, intrones, retrones, transposones, plásmidos, enzimas, etc a la par de los virus, viroides, virusoides y virus satélite. Estas moléculas o entidades acelulares se les conoce comúnmente como "replicadores" o "replicones". El conjunto de replicones o elementos genéticos que pudo conformar el mundo de ARN y sus transiciones se le llama el "acervo genético primordial".[3]​[2]​[50]​[1]​ Theodor Diener propone que los viroides (agentes subvirales compuestos por ARN sin proteínas y lípidos), en función de sus propiedades características, los viroides son "reliquias vivas" más plausibles del mundo de ARN que los intrones u otros ARN que hasta entonces se consideraban como posibles modelos.[51]​ Sí es así, los viroides han alcanzado una importancia potencial al representar las macromoléculas más plausibles conocidas capaces de explicar los pasos intermedios cruciales en la evolución de la vida a partir de la materia inanimada. Como la actividad catalítica, replicación prospensa a errores, estructura circular del ARN que asegura una replicación completa sin etiquetas genómicas, falta de codificación de proteínas y transcripción de ADN, replicación mediada por ribozimas, la huella digital del mundo de ARN.[52]​ Esto sostiene que dichas características pudieron haber estado presentes en las primeras moléculas autorreplicantes de ARN.

En base a estos descubrimientos Eugene Koonin (2006, 2014, 2020) y Patrick Forterre (2005, 2006) proponen que los virus, viroides y virus satélite pudieron mediar las transiciones del mundo de ARN junto con los otros replicadores. A estas transiciones del mundo de ARN se les ha denominado: mundo de ARN verdadero (la etapa inicial), mundo de ARN + proteínas, mundo de retrotranscripción y mundo de ADN (la etapa final). Se ha propuesto que los viroides, virusoides junto con los ribozimas e intrones del grupo I fueron los primeros replicadores de la etapa inicial del mundo de ARN debido a que no codifican proteínas y porque los viroides y virusoides tampoco transcriben ADN, estos replicadores al haberse unido con proteínas, darían paso al mundo de ARN + proteínas donde comenzaría la codificación de proteínas sin transcripción de ADN y surgirían los virus de ARN, satélites de ARN y la ARN polimerasa dependiente de ARN que codifican proteínas sin transcripción de ADN, posteriormente estos precederían a los retroelementos como los intrones del grupo II, retrones, exones, la transcriptasa inversa y elementos de ARN dependientes de ADN como los ribosomas, las ARN polimerasas dependientes de ADN, dando paso al mundo de retrotranscripción y el comienzo de la transcripción de ADN, a su vez estos elementos harían la transición del ARN al ADN pasando finalmente al mundo de ADN donde por último se originarían las ADN polimerasas, virus de ADN, satélites de ADN, los cromosomas, transposones, plásmidos, repeticiones en tándem, etc. Estos acelulares o elementos genéticos al haberse unido con liposomas formados espontáneamente originarían los protobiontes.[53]​[2]​[1]​[50]​[3]​[4]​[54]​ Un experimento (2015) ha demostrado que las cápsides de los virus pudieron haberse originado en el mundo de ARN y servían como un medio de transferencia horizontal entre las comunidades de replicadores dado a que estas comunidades no podrían sobrevivir si el número de parásitos génicos aumentaba, siendo ciertos genes los responsables de la formación de estas estructuras y los que favorecían la supervivencia de las comunidades autorreplicativas.[55]​ El desplazamiento de estos genes entre los organismos celulares pudieron favorecer la aparición de nuevos virus durante la evolución. Sin embargo el origen de los virus y satélites todavía es materia de debate y para otros autores los virus pudieron originarse en los protobiontes y no en el mundo de ARN.[56]​

Hipótesis alternativa

Como se ha mencionado anteriormente, una versión distinta de la misma teoría es la del "mundo de pre-ARN", en la que se propone que un ácido nucleico diferente precedió al ARN. Como alternativa se ha propuesto al ácido nucleico peptídico. El ANP es más estable que el ARN y parece que sería más sencillo de sintetizar en condiciones prebióticas, especialmente porque la síntesis de ribosa y la adición de grupos fosfatos son problemáticas, porque no existían ninguna de las dos. Se ha propuesto el ácido nucleico de treosa como punto de partida, así como el ácido nucleico de glicerol.

Se ha propuesto una alternativa diferente -o complementaria- al ensamblaje de ARN en la Hipótesis del mundo de HAP (Hidrocarburos aromáticos policíclicos). HAP son las más comunes y abundantes de las moléculas poliatómicas conocidas en el Universo visible, y son un componente de la sopa primordial.

La teoría del mundo de hierro-azufre propone que los procesos metabólicos simples se desarrollaron antes que los materiales genéticos, y estos ciclos de producción de energía catalizaron la producción de genes.

La relativa complejidad química del nucleótido y la improbabilidad de que surja espontáneamente, junto con el número limitado de combinaciones posibles entre cuatro formas de base, así como la necesidad de polímeros de ARN de cierta longitud antes de ver actividad enzimática, han llevado a algunos a rechazar la hipótesis del mundo del ARN a favor de la hipótesis del metabolismo primero, donde la química subyacente a la función celular surgió primero, junto con la capacidad de replicar y facilitar este metabolismo.

Implicaciones del mundo de ARN

De ser cierta, la hipótesis del mundo de ARN tendría importantes implicaciones para la misma definición de la vida. Durante la mayor parte del tiempo que siguió al descubrimiento de la estructura del ADN por Watson y Crick, se consideró que la vida se definía en gran medida en términos de ADN y proteínas. El ADN y las proteínas parecían ser las macromoléculas dominantes en las células vivas, de modo que el ARN tenía el único propósito de ayudar a crear proteínas a partir del "plano" establecido en el ADN.

Esta hipótesis del mundo de ARN sitúa al ARN en el papel central en el origen de la vida, lo cual ha promovido numerosos estudios en los últimos diez años que han desvelado importantes aspectos de la función del ARN que previamente se desconocían y demuestran un papel crítico del ARN en la funcionalidad de la vida. En 2001 la hipótesis del mundo de ARN recibió un gran impulso al descifrarse la estructura tridimensional del ribosoma, que revelaba que los lugares catalíticos claves del ribosoma estaban hechos de kARN y que las proteínas no tenían un papel estructural importante y eran de importancia funcional accesoria. Se sabe actualmente que la formación del enlace peptídico, que es la reacción que une los aminoácidos entre sí para formar proteínas está catalizada por un residuo adenina del ARN ribosómico y por tanto el ribosoma es una ribozima. Este descubrimiento sugiere que las moléculas de ARN fueron con toda probabilidad capaces de generar las primeras proteínas. Otros descubrimientos importantes mostraron que el ARN era más que un simple mensajero o adaptador para transferir moléculas, como es en el caso de las riboproteínas nucleares pequeñas (snRNP) en el procesamiento del pre-mARN y la corrección del ARN (ARN editing) y la transcripción del ARN en eucariotas en el mantenimiento de los telómeros y en la reacción de la telomerasa.

Véase también

Referencias

  1. ↑ a b c Eugene Koonin, Valerian V Doljja (2014). Virus World as an Evolutionary Network of Viruses and Capsidless Selfish Elements. Microbiology and Molecular Biology Reviews.
  2. ↑ a b c Eugene Koonin, Valerian V Doljja (2014). A virocentric perspective on the evolution of life. Science Direct.
  3. ↑ a b c Eugene Koonin (2015). Viruses and mobile elements as drivers of evolutionary transitions. NCBI.
  4. ↑ a b Patrick Forterre. The Two Ages of the RNA World, and the Transition to the DNA World: A Story of Viruses and Cells. Science Direct.
  5. ↑ Woese, Carl (Jan 1968). The Genetic Code (en inglés). Harper & Row. ISBN 978-0060471767. 
  6. ↑ Gilbert, Walter (Feb 1986). «The RNA World». Nature (Journal) 319: 618. doi:10.1038/319618a0. 
  7. ↑ Diener, Theodor Otto (1989). «Circular RNAs: relics of precelular evolution?». PNAS 86 (23): 9370-9374. 
  8. ↑ Diener, Theodore Otto (2016). «Viroids: "living fosils" of primordial RNAs?». Biology Direct 11 (15). 
  9. ↑ Orgel, Leslie (Nov de 2000). «A Simpler Nucleic Acid». Science 290 (5495): 1306-7. doi:10.1126/science.290.5495.1306. 
  10. ↑ Nelson, K.E.; Levy, M.; Miller, S.L. (Apr de 2000). «Peptide nucleic acids rather than RNA may have been the first genetic molecule». Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97 (8): 3868-71. PMID 10760258. 
  11. ↑ Johnston WK, Unrau PJ, Lawrence MS, Glasner ME, Bartel DP (May 2001). «RNA-catalyzed RNA polymerization: accurate and general RNA-templated primer extension». Science 292 (5520): 1319-25. Bibcode:2001Sci...292.1319J. PMID 11358999. S2CID 14174984. doi:10.1126/science.1060786. Archivado desde el original el 27 de febrero de 2012.  Parámetro desconocido |citeseerx= ignorado (ayuda); Parámetro desconocido |url-status= ignorado (ayuda)
  12. ↑ W. K. Johnston, P. J. Unrau, M. S. Lawrence, M. E. Glasner and D. P. Bartel RNA-Catalyzed RNA Polymerization: Accurate and General RNA-Templated Primer Extension. Science 292, 1319 (2001)
  13. ↑ Hani S. Zaher and Peter J. Unrau, Selection of an improved RNA polymerase ribozyme with superior extension and fidelity. RNA (2007), 13:1017-1026
  14. ↑ Gysbers R, Tram K, Gu J, Li Y (2015). «Evolution of an Enzyme from a Noncatalytic Nucleic Acid Sequence». Scientific Reports 5: 11405. Bibcode:2015NatSR...511405G. PMC 4473686. PMID 26091540. doi:10.1038/srep11405. 
  15. ↑ Huang, Yang, and Yarus, RNA enzymes with two small-molecule substrates. Chemistry & Biology, Vol 5, 669-678, November 1998
  16. ↑ Unrau, P.J. and Bartel, D.P. (1998) RNA-catalysed nucleotide synthesis. Nature 395, 260-263
  17. ↑ Erives A (Aug 2011). «A model of proto-anti-codon RNA enzymes requiring L-amino acid homochirality». Journal of Molecular Evolution 73 (1–2): 10-22. Bibcode:2011JMolE..73...10E. PMC 3223571. PMID 21779963. doi:10.1007/s00239-011-9453-4. 
  18. ↑ Zhang and Cech, Peptide bond formation by in vitro selected ribozymes. Nature 390, 96-100
  19. ↑ Szathmary E., The origin of the genetic code: amino acids as cofactors in an RNA world. Trends in Genetics, Volume 15, Number 6, 1 June 1999 , pp. 223-229(7)
  20. ↑ «Uracil». Archivado desde el original el 8 de septiembre de 2015. Consultado el 24 de julio de 2020.  Parámetro desconocido |url-status= ignorado (ayuda)
  21. ↑ Lindahl, T (Apr de 1993). «Instability and decay of the primary structure of DNA». Nature 362 (6422): 709-15. PMID 8469282. 
  22. ↑ Pääbo, S (Nov de 1993). «Ancient DNA». Scientific American 269 (5): 60-66. 
  23. ↑ Nudler E, Mironov AS (Jan 2004). «The riboswitch control of bacterial metabolism». Trends in Biochemical Sciences 29 (1): 11-7. PMID 14729327. doi:10.1016/j.tibs.2003.11.004. 
  24. ↑ Bocobza SE, Aharoni A (2008). «Switching the light on plant riboswitches». Trends Plant Sci. 13 (10): 526-33. PMID 18778966. doi:10.1016/j.tplants.2008.07.004. 
  25. ↑ Narberhaus F, Waldminghaus T, Chowdhury S (Jan 2006). «RNA thermometers». FEMS Microbiology Reviews 30 (1): 3-16. PMID 16438677. doi:10.1111/j.1574-6976.2005.004.x.  Parámetro desconocido |doi-access= ignorado (ayuda)
  26. ↑ The Basics of Selection (London: Springer, 1997)
  27. ↑ New York: Harper and Row, 1967
  28. ↑ L. Orgel, The origin of life on earth. Scientific American. 271 (4) p. 81, 1994.
  29. ↑ Matthew Levy and Stanley L. Miller, The stability of the RNA bases: Implications for the origin of life, Proceedings of the National Academy of Science USA 95, 7933–7938 (1998)
  30. ↑ Larralde R, Robertson M P, Miller S L. Proc Natl Acad Sci USA. 1995;92:8158–8160.
  31. ↑ Lindahl T. Nature (London). 1993;362:709–715.
  32. ↑ Joyce GF; Visser GM, van Boeckel CA, van Boom JH, Orgel LE, van Westrenen J. (Aug de 1984). «Chiral selection in poly(C)-directed synthesis of oligo(G)». Nature 310 (5978): 602-4. PMID 6462250. 
  33. ↑ Levy M, Miller SL (Jul 1998). «The stability of the RNA bases: implications for the origin of life». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 95 (14): 7933-8. Bibcode:1998PNAS...95.7933L. PMC 20907. PMID 9653118. doi:10.1073/pnas.95.14.7933.  Parámetro desconocido |doi-access= ignorado (ayuda)
  34. ↑ Larralde R, Robertson MP, Miller SL (Aug 1995). «Rates of decomposition of ribose and other sugars: implications for chemical evolution». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 92 (18): 8158-60. Bibcode:1995PNAS...92.8158L. PMC 41115. PMID 7667262. doi:10.1073/pnas.92.18.8158.  Parámetro desconocido |doi-access= ignorado (ayuda)
  35. ↑ Joyce GF, Visser GM, van Boeckel CA, van Boom JH, Orgel LE, van Westrenen J (1984). «Chiral selection in poly(C)-directed synthesis of oligo(G)». Nature 310 (5978): 602-4. Bibcode:1984Natur.310..602J. PMID 6462250. S2CID 4367383. doi:10.1038/310602a0. 
  36. ↑ Powner MW, Sutherland JD (2008). «Potentially prebiotic synthesis of pyrimidine beta-D-ribonucleotides by photoanomerization/hydrolysis of alpha-D-cytidine-2'-phosphate». ChemBioChem 9 (15): 2386-7. PMID 18798212. S2CID 5704391. doi:10.1002/cbic.200800391. 
  37. ↑ Carole Anastasi, Michael A. Crowe, Matthew W. Powner, John D. Sutherland "Direct Assembly of Nucleoside Precursors from Two- and Three-Carbon Units Angewandte Chemie International Edition 45(37):6176–79, 2006.
  38. ↑ Kumar, Atul; Sharma, Siddharth; Maurya, Ram Awatar (2010). «Single Nucleotide-Catalyzed Biomimetic Reductive Amination». Advanced Synthesis and Catalysis 352 (13): 2227-2232. doi:10.1002/adsc.201000178.  Parámetro desconocido |name-list-style= ignorado (ayuda)
  39. ↑ Lincoln TA, Joyce GF (Feb 2009). «Self-sustained replication of an RNA enzyme». Science 323 (5918): 1229-32. Bibcode:2009Sci...323.1229L. PMC 2652413. PMID 19131595. doi:10.1126/science.1167856.  Parámetro desconocido |lay-source= ignorado (ayuda); Parámetro desconocido |lay-url= ignorado (ayuda); Parámetro desconocido |lay-date= ignorado (ayuda)
  40. ↑ Turk RM, Chumachenko NV, Yarus M (Mar 2010). «Multiple translational products from a five-nucleotide ribozyme». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 107 (10): 4585-9. Bibcode:2010PNAS..107.4585T. PMC 2826339. PMID 20176971. doi:10.1073/pnas.0912895107.  Parámetro desconocido |doi-access= ignorado (ayuda); Parámetro desconocido |lay-source= ignorado (ayuda); Parámetro desconocido |lay-url= ignorado (ayuda); Parámetro desconocido |lay-date= ignorado (ayuda)
  41. ↑ Marlaire, Ruth (3 March 2015). «NASA Ames Reproduces the Building Blocks of Life in Laboratory». NASA. Archivado desde el original el 5 March 2015. Consultado el 5 March 2015.  Parámetro desconocido |name-list-style= ignorado (ayuda); Parámetro desconocido |url-status= ignorado (ayuda)
  42. ↑ Fialho, DM; Clarke, KC; Moore, MK; Schuster, GB; Krishnamurthy, R; Hud, NV (21 February 2018). «Glycosylation of a model proto-RNA nucleobase with non-ribose sugars: implications for the prebiotic synthesis of nucleosides.». Organic & Biomolecular Chemistry 16 (8): 1263-1271. PMID 29308815. doi:10.1039/c7ob03017g. 
  43. ↑ Cafferty, Brian J.; Fialho, David M.; Khanam, Jaheda; Krishnamurthy, Ramanarayanan; Hud, Nicholas V. (25 April 2016). «Spontaneous formation and base pairing of plausible prebiotic nucleotides in water». Nature Communications 7 (1): 11328. Bibcode:2016NatCo...711328C. PMC 4848480. PMID 27108699. doi:10.1038/ncomms11328. 
  44. ↑ Muller AW (Oct 2005). «Thermosynthesis as energy source for the RNA World: a model for the bioenergetics of the origin of life». Bio Systems 82 (1): 93-102. PMID 16024164. doi:10.1016/j.biosystems.2005.06.003. 
  45. ↑ Kunin V (Oct 2000). «A system of two polymerases--a model for the origin of life». Origins of Life and Evolution of the Biosphere 30 (5): 459-66. Bibcode:2000OLEB...30..459K. PMID 11002892. S2CID 5616924. doi:10.1023/A:1006672126867. 
  46. ↑ Pascal, Robert (2007), «A scenario starting from the first chemical building blocks», en Reisse, Jacques, ed., From Suns to Life: A Chronological Approach to the History of Life on Earth, Springer Science & Business Media, pp. 163-166, ISBN 978-0-387-45083-4 .
  47. ↑ Patel BH, Percivalle C, Ritson DJ, Duffy CD, Sutherland JD (Apr 2015). «Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a cyanosulfidic protometabolism». Nature Chemistry 7 (4): 301-7. Bibcode:2015NatCh...7..301P. PMC 4568310. PMID 25803468. doi:10.1038/nchem.2202. 
  48. ↑ Gibard, Clémentine; Bhowmik, Subhendu; Karki, Megha; Kim, Eun-Kyong; Krishnamurthy, Ramanarayanan (2018). «Phosphorylation, oligomerization and self-assembly in water under potential prebiotic conditions». Nature Chemistry 10 (2): 212-217. PMC 6295206. PMID 29359747. doi:10.1038/nchem.2878. 
  49. ↑ Service, Robert F. (16 March 2015). «Researchers may have solved origin-of-life conundrum». Science (News) (Washington, D.C.: American Association for the Advancement of Science). ISSN 1095-9203. Archivado desde el original el 12 August 2015. Consultado el 26 de julio de 2015.  Parámetro desconocido |url-status= ignorado (ayuda)
  50. ↑ a b Eugene V Koonin, Tatiana G Senkevich, Valerian V Dolja (2006). The ancient Virus World and evolution of cells. Biology Direct.
  51. ↑ Viroids: “living fossils” of primordial RNAs? NCBI.
  52. ↑ Diener TO (1989). «Circular RNAs: Relics of precellular evolution?». Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86 (23): 9370-9374. Bibcode:1989PNAS...86.9370D. PMC 298497. PMID 2480600. doi:10.1073/pnas.86.23.9370. 
  53. ↑ Mart Krupovic, Valerian V. Dolja, Eugene V. Koonin (2020). The LUCA and its complex virome. Nature.
  54. ↑ Did DNA Come From Viruses?.
  55. ↑ Matti Jalasvuori, Sari Mattila, Ville Hoikkala (2015). Chasing the Origin of Viruses: Capsid-Forming Genes as a Life-Saving Preadaptation within a Community of Early Replicators. Plos One. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0126094
  56. ↑ Error en la cita: Etiqueta <ref> no válida; no se ha definido el contenido de las referencias llamadas luca

Bibliografía

  • Cairns-Smith, A. G. Genetic Takeover: And the Mineral Origins of Life. ISBN 0-521-23312-7
  • Lindahl, T., 1993. "Instability and decay of the primary structure of DNA," Nature 362(6422):709–715.
  • Pääbo, S. 1993. "Ancient DNA" Scientific American 269(5):60–66.
  • Witzany, G. 2014. "RNA Sociology: Group Behavioral Motifs of RNA Consortia", Life 4:800-818.

Enlaces externos

Obtenido de «https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Hipótesis_del_mundo_de_ARN&oldid=140421825»