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La evolución del metabolismo celular

El metabolismo de las células, cimiento básico de la vida, se lleva a cabo principalmente con la utilización de energía externa a la célula y este proceso en general fue sufriendo un notable cambio a medida que la vida evolucionaba en el planeta. El cambio del metabolismo celular es particularmente acentuado en relación a cómo los organismos consiguen la energía para la vida y en general se pueden distinguir en este contexto dos direcciones:

1- Organismos que captan la energía de la luz solar para fabricar los enlaces químicos y generar moléculas orgánicas, proceso conocido como anabolismo.

2.- Organismos que rompen los enlaces químicos de moléculas orgánicas para utilizar la energía contenida en estos enlaces, proceso denominado catabolismo.

Ambos procesos evolucionaron a través del tiempo vinculados entre sí y un recuento de como pudo haber sido tal evolución se describe a continuación.

Primera etapa. Metabolismo primitivo

Se cree que las formas de vida más primitivas obtuvieron su energía química por la degradación, o rompimiento de moléculas orgánicas que existían, y cuyo origen no era biológico. Este fue el primer evento importante en la evolución del metabolismo, es decir, la adquisición de la habilidad de aprovechar la energía química de los enlaces y su almacenamiento en los enlaces del ATP.

Segunda etapa en el avance evolutivo. La glucólisis

El segundo evento importante en la evolución del metabolismo fue la glucólisis (vea la glucólisis aquí), el comienzo de la ruptura de la glucosa. Con la evolución de las proteínas, estas van adquiriendo cada vez mejores cualidades catalíticas particulares lo que hace posible capturar una gran fracción de la energía contenida en los enlaces de los compuestos orgánicos a través de diferentes etapas de rompimiento de enlaces unos tras otros. Así tenemos que en la glucólisis la disociación de la molécula de seis carbonos de glucosa en moléculas de tres carbonos en 10 etapas resulta en la producción neta de dos moléculas de ATP.

No hay duda de que la glucólisis fue un paso evolutivo temprano en la historia de la vida en la Tierra ya que esta ruta bioquímica está presente en todos los organismos vivos, y esto solo es posible si fue parte del metabolismo de las criaturas más primitivas de donde derivaron el resto de los seres vivientes. El proceso químico parece no haber cambiado en 2000 millones de años.

Tercera etapa evolutiva. La fotosíntesis anaeróbica

El tercer evento principal resulta ser la fotosíntesis anaeróbica. Bastante temprano en la historia de la vida algunos organismos adquirieron la capacidad de obtener energía y producir ATP de una fuente diferente a la del rompimiento de enlaces químicos ya existentes. Este gran paso evolutivo permitió que ciertas células pudieran capturar la energía de la luz solar y utilizarla directamente en la producción de ATP, proceso denominado fotosíntesis (la fotosíntesis se describe aquí).

Inicialmente la atmósfera terrestre estaba desprovista de oxígeno de modo que esta fotosíntesis se realizaba en ausencia de oxígeno y por ello se le llama fotosíntesis anaeróbica (sin aire). La fotosíntesis evolucionó y funcionó bien sin oxígeno y la materia prima para su trabajo fue el H2S disuelto en las aguas de los océanos, el que proporcionaba el hidrógeno necesario para el trabajo de generación del ATP y la construción de moléculas orgánicas. Como subproducto de esta fotosíntesis se obtiene azufre elemental.

La cuarta etapa de progreso. La fotosíntesis que produce oxígeno


Cuando las células pudieron sustituir al H2S por el H2O como fuente de hidrógeno para la fotosíntesis se produce el cuarto evento significativo de la evolución. La energía de la luz se utiliza ahora para la disociación de agua, de cuyo proceso se obtiene el necesario hidrógeno y resulta oxígeno como subproducto en lugar de azufre.

Más de dos mil millones de años atrás, ciertas células pequeñas capaces de llevar a cabo esta fotosíntesis generadora de oxígeno se convirtieron en la forma de vida dominante sobre la Tierra y con ello se comenzó a acumular oxígeno en la atmósfera. La existencia y proliferación de los organismos fotosintéticos que producen oxígeno produjo un cambio trascendental que cambió para siempre las condiciones existentes en el planeta, lo que permitió, más adelante, el surgimiento y desarrollo de la inmensa variabilidad de organismos que basan su metabolismo en la respiración de tal oxígeno.

El quinto evento clave. La fijación de nitrógeno

La fijación del nitrógeno fue la quinta etapa principal de la evolución. Las proteínas y los ácidos nucléicos que son pilares fundamentales de la vida no podían sintetizarse desde la fotosíntesis debido a que estos tipos de moléculas críticas contienen nitrógeno que no se produce en la fotosíntesis. Para obtener el nitrógeno atómico del nitrógeno gaseoso (N2) del aire, proceso conocido como fijación del nitrógeno, resulta necesario romper el triple enlace de su molécula y esta importante reacción evolucionó en la atmósfera primitiva rica en nitrógeno y donde el oxígeno no estaba presente. El oxígeno representa un elemento nocivo al proceso de fijación del nitrógeno, lo cual ocurre aun hoy en día solamente en ambientes desprovistos de oxígeno o en compartimientos libres de oxígeno en el interior de ciertos procariotas (células sin núcleo).

Por último la sexta etapa. La respiración aeróbica

La respiración aeróbica es el sexto y último evento en la historia del metabolismo (el proceso está descrito aquí). Este complejo proceso celular que se produce en presencia de oxígeno consigue la energía extrayendo electrones energéticos de las moléculas orgánicas, electrones cuya energía luego se usa para producir ATP y finalmente ya "agotado" se dona al oxígeno. La respiración aeróbica utiliza el mismo procedimiento que la fotosíntesis para producir el ATP y se piensa que ha sido un resultado evolutivo de la misma maquinaria básica fotosintética.



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