II Hablemos de biolog

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IIHablemos de biología
Andrés Moreira Departamento de Informática UTFSM
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Qué es la biología?

• Ok. La ciencia que estudia la vida. O las cosas
  vivas.
• Detengámonos en lo primero es una ciencia.
• En rigor, ni la matemática ni la informática lo
  son.
• impera el método científico
• las teorías son ciertas sólo hasta nuevo aviso
• pueden haber explicaciones alternativas, ambas
  válidas
• el árbitro es la naturaleza

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Qué es la biología?

• Método científico
• Plantear el problema
• Crear una hipótesis
• Diseñar un test para poner a prueba la hipótesis
• Recoger datos y analizarlos
• Sacar una conclusión
• Goto 1

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Qué es la biología?

• Además, trata con el mundo real, no con objetos
  abstractos.
• Ergo
• Todo (o casi casi todo) tiene excepciones
• Todo problema está conectado a otros problemas
• Todo fenómeno tiene componentes que no son
  locales
• David B. Searls, Grand Challenges in
• Computational Biology, 1998

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Qué es la biología?
Otros alcances sobre la biología, las ciencias y
demases, aparecerán sobre la marcha en el
curso. Pero vaya desde ya una advertencia Es
recomendable tenerle respeto a la biología, y a
los biólogos (muchas cosas que parecen triviales,
no lo son).
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Y qué es la vida?

• La biología estudia la vida. Qué es eso?
• No es trivial definir vida.
• Dos aproximaciones
• ver qué cosas en común tienen los objetos que
  conocemos y llamamos vivos
• tratar de aislar lo esencial del concepto
  abstracto
• Ambas tienen sus peros. Pero lo que está bastante
  descartado es que haya algún tipo de sustancia
  o espíritu esencial.

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Y qué es la vida?

• Lo más común es pedir una lista de condiciones
• homeostasis (autoregulación del interior)
• metabolismo (consumo de energía)
• organización (compuesto de partes
  interdependientes)
• crecimiento
• respuesta a estímulos
• reproducción
• adaptación (evolución)

Problema se deben pedir todas? Qué pasa con
una mula, infértil? Con el fuego? Con los virus?
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Y qué es la vida?

• Mirando los organismos que conocemos, se podría
  agregar
• -composición basada en carbono y agua
• organización basada en células
• información almacenada en ácidos nucléicos,
  codificada según el código genético universal

Problema Marte. O vida artificial. ...etc,
etc. ?Sería preferible una caracterización
abstracta de la vida como un tipo de proceso.
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Y qué es la vida?
Erwin Schrödinger (en su influyente ensayo What
is life?, 1944) puso énfasis en el consumo de
entropía negativa (energía libre) que hacen los
seres vivos. Revierten (localmente) la 2da. ley
de la termodinámica, gracias a ser sistemas
abiertos.
Hasta el día de hoy es una perspectiva fértil.
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Y qué es la vida?
Otra aproximación es a través del concepto de
autopoiesis, de Francisco Varela y Humberto
Maturana (1973).
Un sistema autopoiético está organizado como una
red de procesos de producción (síntesis y
destrucción) de componentes, de forma tal que
estos componentes (i) se regeneran continuamente
e integran la red de transformaciones que los
produjo, y (ii) constituyen al sistema como una
unidad distinguible en su dominio de existencia.
Básicamente, un sistema compuesto por partes, que
genera y mantiene sus propios componentes y sus
relaciones.
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Y qué es la vida?
Varela enfatizaba lo de unidad distinguible el
sistema debe generar y mantener su frontera que
lo define Cells ... create a boundary, a
membrane, which constrains the network that has
produced the constituents of the membrane. This
is a logical bootstrap, a loop .... This
bootstrap is precisely what's unique about cells.
A self-distinguishing entity exists when the
bootstrap is completed. This entity has produced
its own boundary. ... It bootstraps itself out
of a soup of chemistry and physics.
En otro punto dice que un sistema físico está
vivo cuando es capaz de transformar
materia/energía externa en un proceso de
automantención y autogeneración.
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Y qué es la vida?
Stuart Kauffman (al menos en Investigations,
2000) da una definición sistémica que recoge
elementos de las anteriores
Un sistema vivo sería un ente autónomo, capaz de
reproducirse, y de completar al menos un ciclo de
trabajo termodinámico.
Con qué definición nos quedaremos? En realidad
no importa mucho para este curso. Pero es un tema
(filosófico, ético, y también científico). Para
interesados, http//en.citizendium.org/wiki/Life
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Células
Volvamos a los seres vivos que conocemos. En el
siglo XVII Robert Hooke acuñó el termino de
célula (en realidad, cell), tras ver una
estructura al parecer elemental en los tejidos
del corcho.
Por la misma época Antony van Leeuwenhoek
descubrió los animálculos observó glóbulos
rojos y protozoos. Por primera vez, se veían
células vivas.
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Células
En 1838 Mathias Schleiden establece que todos los
tejidos vegetales están formados por células.
En 1839, Theodor Schwann establece lo mismo para
los tejidos animales, y propuso una base celular
para toda la vida. En 1858 Rudolf Virchow,
estudiando cánceres, concluye que las células
nacen de células preexistentes (Omnis cellula e
cellula).
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Células

• Con eso queda establecida la teoría celular
• Todos los seres vivos están hechos de células
  (que eventualmente puede ser una sola).
• La célula es la estructura básica, de estructura
  y función.
• Las células nuevas nacen de células anteriores.

Más adelante se agregó otro item ?El material
hereditario pasa de la célula madre a las células
hijas.
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Células
Durante este curso, casi todo proceso del que
hablemos ocurre dentro de una célula. Es la
unidad protagónica.
Por lo demás, una célula individual satisface las
condiciones que se piden para definir vida. Sus
partes, en cambio, ya no. ?Todas las células
convierten energía de una forma a otra,
reaccionan a su medio ambiente y se reproducen.
El metabolismo ocurre en las células. ?Todas las
células están rodeadas por una membrana
plasmática que separa el contenido celular del
medio ambiente. ?Todas las células contienen DNA
como depósito de la información genética y lo
utilizan como guía para la síntesis de proteínas.
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Células
Todas las células tienen básicamente la misma
bioquímica también comparten los mismos
mecanismos de codificación genética. Hay
básicamente dos tipos principales, eucariotas y
procariotas. Las procariotas son más simples, y
más pequeñas (entre 0.5 y 5 ?m de diámetro) las
eucariotas típicamente están entre 5 y 100 ?m
(pero existen algunas gigantes, como los huevos).
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Células
procariota
eucariota vegetal
eucariota animal
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Moléculas
Ok. Y de qué están hechas las células? De
moléculas. Grandes (como el DNA) o chicas (como
la glucosa). Aparte del agua (abundante y
esencial), la gran mayoría son moléculas
orgánicas, con un esqueleto de carbono y algunos
átomos de hidrógeno. Por lo general una molécula
biológica aislada mantiene su forma algunas
contienen articulaciones que permiten movimientos
de sus partes.
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Moléculas
A la columna vertebral de carbono se unen
grupos de átomos, llamados grupos funcionales,
que determinan las características y la
reactividad química de las moléculas
Hidrógeno -H Hidroxilo -OH Carboxilo -COOH Ami
no -NH2 Fosfato -H2PO4 Metilo -CH3
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Moléculas

• Hay cuatro tipos de macromoléculas biológicas
• Carbohidratos
• Lípidos
• Proteínas
• Ácidos nucléicos
• En cada caso, las moléculas grandes son
  polímeros, cadenas largas formadas a partir de
  monómeros.

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Moléculas carbohidratos
Carbohidratos Normalmente contienen carbono,
oxígeno e hidrógeno y su fórmula aproximada es
(CH2O)n. Almacenan y transportan energía, y
también tienen funciones estructurales.
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Moléculas carbohidratos
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Moléculas lípidos
Lípidos contienen una alta proporción de carbono
e hidrógeno también almacenan energía, y gracias
a no ser solubles en agua, tienen funciones
estructurales en las membranas (entre otros
roles). El monómero en este caso son los ácidos
grasos.
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Moléculas proteínas
Proteínas son las moléculas más abundantes en
las células, están en todos los lugares de la
célula, y cumplen funciones fundamentales
estructurales, regulatorias, enzimáticas,
hormonales, de transporte, inmunológicas, etc
etc.
El monómero en este caso son los aminoácidos,
compuestos simples que vienen en 20 tipos
distintos, y siguen un mismo esquema general.
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Moléculas proteínas
Clases dentro de una misma clase, los
aminoácidos suelen ser intercambiables (o sea, su
reemplazo no le cambia la forma a la proteína).
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Moléculas proteínas
Los aminoácidos se unen a través del enlace
peptídico. A una cadena corta (menos de 50) se
le llama péptido. De ahí para arriba, proteína.
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Moléculas proteínas
Como hemos mencionado antes, la forma en que se
dobla una proteína es clave para su función.
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Moléculas ácidos nucléicos
En los ácidos nucléicos los monómeros son
nucleótidos, formados por un grupo fosfato, un
azúcar (ribosa o desoxirribosa), y una base
nitrogenada (que da la letra, A,C,G,T).
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Moléculas ácidos nucléicos
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Moléculas ácidos nucléicos
Los nucleótidos en el DNA son 4 adenina,
citosina, guanina y timina (que dan el alfabeto,
A,C,G,T). El azúcar en el DNA es
desoxirribosa. En el RNA, el azúcar es ribosa, y
la timina se reemplaza por uracilo (así que la T
cambia a U).
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Moléculas ácidos nucléicos
James Watson y Francis Crick, en 1953,
determinaron la estructura del DNA. Los cuatro
tipos de nucleótidos se ordenan en pares (A con
T, C con G), que forman puentes de hidrógeno
entre sí. Son los peldaños de la doble hélice.
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(No Transcript)
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Moléculas ácidos nucléicos
La hebra de cada hélice se forma por un enlace
entre el fosfato de un nucleótido y el azúcar de
la siguiente.
Ojo Esto le da una dirección a las hebras!
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Origen
Y de dónde salieron todas estas cosas? Es un
tema sobre el que también ha corrido mucha tinta.
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Origen
Las dificultades son varias
Tampoco hay certeza sobre la composición de la
atmósfera en la época .
Otro problema las moléculas no dejan fósiles (y
los microorganismos por lo general tampoco).
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Origen
4400 millones de años atrás se forma la
corteza 3900 m.a.a. el planeta tuvo condiciones
como para soportar vida (el agua empezó a
condensarse en océanos) 3800 m.a.a. se ha
encontrado carbono de probable origen
orgánico 3500 m.a.a. bacterias fósiles Ergo,
fue relativamente rápido la vida apareció poco
después de que la Tierra se enfrió lo suficiente.
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Origen
De dónde salió la materia prima? Miller Urey,
1953 simularon condiciones de la atmósfera
primitiva y aplicaron chispas eléctricas.
?Obtuvieron azúcares, lípidos, y 13 tipos de
aminoácidos. Experimentos posteriores han
obtenido también ácidos nucléicos (y más
aminoácidos, y polipéptidos, y ATP, etc.).
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Origen
Otros ingredientes de la sopa pudieron llegar
desde el espacio (cada vez se detectan más
compuestos orgánicos en polvo interestelar).
Un requisito para la interacción es que los
materiales se hayan acumulado esto pudo ser
sobre la arcilla de la costa, o en el fondo
marino.
Se ha hablado de pizza primitiva (o
sandwich), pensando en acumulación casi
bidimensional.
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Origen

• Algunos piensan (e.g., Stuart Kauffman) que con
  una química suficientemente rica, es casi
  inevitable que se forme una red autocatalítica de
  reacciones (algo así como autopoiesis, pero sin
  frontera).
• "We propose that the only absolute requirements
  for life are a thermodynamic disequilibrium and
  temperatures consistent with chemical bonding.
• Steven A. Benner et al. , Curr. Op.
  in Chem. Biol., 2004

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Origen

• La existencia de compartimientos es importante,
  no sólo para cumplir con la frontera de Varela,
  sino también para permitir competencia (Darwin!),
  y para tener (proto)células.
• Una idea es que la pizza fue sobre arcilla. La
  arcilla pudo proveer
• una superficie de acumulación
• compartimentación
• capacidad catalítica

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Origen

• Los lípidos forman espontáneamente
  proto-células, capaces de
• absorber material circundante
• crecer
• fisionarse

• Además, se parecen a las membranas celulares
  actuales
• ?pudieron proveer gratis las primeras membranas.
• Posibles mecanismos sobran el problema es más
  bien decidir cuál fue el que se dio. Y demostrar
  que funciona.

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RNA World

• La visión más popular hoy en día
• RNA World.
• En 1982 Thomas Cech descubrió que el RNA puede
  actuar como catalizador.

Por lo tanto, el huevo pudo poner huevos.
Catalizar y además transmitir información.
X
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RNA World

• Un mundo de RNA habría precedido al del DNA y
  las proteínas.
• Los vestigios estarían a la vista en el tRNA, el
  ribosoma, las ribozimas.
• Es poco probable que haya sido una sola molécula
  autorreplicadora. Más bien un colectivo.
• Se ha hecho evolución de RNA en laboratorios,
  buscando autocatálisis. Cualquier día de estos...

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Código genético
Una herramienta de investigación, pero a la vez
tema (y discutido), es el origen del código
genético. En él podría estar escrita la historia
de la maquinaria fundamental.

• De dónde salió? Principales ideas
• Accidente congelado (no habría motivo)
• Relaciones estereoquímicas (entre aminoácidos y
  codones)
• Selección entre códigos (sería óptimo, bajo algún
  criterio)
• Desarrollo progresivo a partir de un código más
  simple.
• ...o combinaciones.

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Origen
Y después, qué? ? evolución!
Nothing in biology makes sense except in the
light of evolution Theodosius Dobzhansky
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Especies y taxonomía
La evolución generó el árbol de la vida, el
árbol familiar que incluye que incluye a todos
los seres vivos del planeta. Las hojas de ese
árbol son las especies. Definir especie es
menos trivial de lo que parece el criterio
básico lo enunció Cuvier (1800) y es grupo de
organismos capaces de reproducirse entre si y
tener descendencia fértil.
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Especies y taxonomía

• Eso tiene problemas
• Fósiles
• Casos límite
• Organismos asexuados (por ejemplo, bacterias)
• Se han propuesto otras definiciones y el tema
  sigue activo (es otro de esos temas).
• Ver http//scienceblogs.com/evolvingthoughts/2006/
  10/a_list_of_26_species_concepts.php
• para 26 definiciones alternativas.

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Especies y taxonomía
A las especies se las agrupa (clásicamente) en
géneros, familias, órdenes, clases, phylums,
reinos... Durante siglos se usaron
características comunes (esqueleto, mecanismos
reproductivos, etc.) para clasificar.
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Taxonomía e historia de la vida
Después de Darwin (que postula que existe
ascendencia común), y más aún después de la
biología molecular (que lo confirma), se busca
que la clasificación refleje el árbol familiar.
Lo propone formalmente Julian Huxley en 1940 (La
Nueva Sistemática).
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Taxonomía e historia de la vida
La cladística busca que todas las categorías
taxonómicas (taxones) correspondan a ramas
del árbol. ?Se llama clado (clade) al conjunto
de una especie ancestral y todos sus
descendientes. También se llama a eso un grupo
monofilético. Hay más de una forma de no cumplir
eso
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Taxonomía e historia de la vida
Había que incluir a los seres unicelulares. Se
les dividió en moneras y protistas, de
acuerdo a su nivel de organización celular
(monera es lo que hoy llamamos procariota).
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Taxonomía e historia de la vida
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Taxonomía e historia de la vida
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Taxonomía e historia de la vida
El esquema de cinco reinos sigue apareciendo en
los textos escolares. Y el orden evolutivo se
vería algo así ?
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Taxonomía e historia de la vida
Sin embargo, en los años 70 Carl Woese notó que
las diferencias entre cierto grupo de bacterias
(Archaea) y las demás (Bacteria) eran demasiadas.
Pese a mucha oposición, se aceptó la idea durante
los 80. Surgió la clasificación de tres
dominios (1990).
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Taxonomía e historia de la vida
Las arqueas suelen ser extremófilas demasiado
calor, frío, PH, sal, etc... (aunque también se
pueden encontrar en lugares más hospitalarios).
Muchas son anaeróbicas (el oxigeno las mata).
Se pensó que eran más primitivas que las
bacterias (por eso archaea), pero pronto se
puso en duda en muchos genes (en particular
rRNA, más confiable) se parecen más a los
eucariotas que a las bacterias.
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Taxonomía e historia de la vida
Se pensó entonces en esto...
(con cierta discusión sobre quién queda más cerca
de la raíz) (y por ende procariota es sólo
descriptivo, no es un clado)
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Taxonomía e historia de la vida
Con la salvedad de que los eucariotas han tomado
prestadas células procariotas que antes eran
independientes. (Lynn Margulis?teoría
endosimbiótica, 1966. Rechazada por 15 revistas).
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Taxonomía e historia de la vida
Los virus. Dónde calzan en la historia?

• Alguna vez se pensó que eran bacterias
  degradadas (que habían ido perdiendo partes
  hasta quedarse con lo esencial para infectar).

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Taxonomía e historia de la vida

• Luego, DNA (o RNA) fugitivo genes saltarines
  que aprendieron trucos extras. Los retroviruses
  (que se copian en el genoma infectado) son casi
  un caso límite no difieren mucho de los
  transposons propios del genoma.
• Pero también puede que estén dando vueltas desde
  el mundo del RNA serían descendientes de RNA que
  nunca entró a una sociedad celular.

...Pero como esto es biología, la respuesta puede
ser todas las anteriores.
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Taxonomía e historia de la vida
La cosa se complica aún más por culpa de la
transferencia horizontal de genes genes
saltarines. Se sabe que hoy ocurre mucho entre
bacterias, e incluso entre animales, plantas,
etc.. En los viejos tiempos, debió ocurrir
mucho más. Así que los análisis que comparan
genes, nos dan la historia familiar del gen, no
de las especies!
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Taxonomía e historia de la vida
!
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Taxonomía e historia de la vida
Nótese que la figura pone abajo una comunidad
ancestral de células primitivas. Esto es un
cambio respecto a lo tradicional, que ponía a
LUCA (el hipotético Last Universal Common
Ancestor).
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Taxonomía e historia de la vida
Es la propuesta de Carl Woese (PNAS, 2002, On
the evolution of cells)

• Al principio la transferencia horizontal era el
  principal mecanismo de evolución.

• Sólo a partir de cierto nivel de complejidad
  empezó a dominar la herencia vertical (por
  reproducción) y comenzó el interludio
  darwiniano.
• Arqueas, bacterias y eucariotas habrían salido de
  ahí en distintos momentos.