PARADOJAS EN BIOLOGÍA

En la andadura hacia la construcción del conocimiento científico aparecen muchas dificultades con la coherencia de los razonamientos empleados; algunas de estas nos llevan a un callejón sin salida, de reducción al absurdo ‒son las contradicciones sin solución o aporías‒, mientras que otras dificultades lógicas solo son contradicciones aparentes o paradojas, cuya solución puede suponer un avance en el desarrollo de la ciencia al superar el modelo o paradigma vigente. En este sentido, Richard Feynman afirma que en las paradojas físicas hay siempre una mala interpretación de alguno o ambos razonamientos que se contraponen…

Por su carácter histórico, la Biología presenta con frecuencia paradojas como la clásica del “huevo y la gallina”: ¿qué fue antes? Al igual que en esta, las paradojas de la vida se enfrentan también con la prioridad en el origen y la evolución de seres y procesos biológicos. Debemos subrayar que la acepción del concepto de prioridad utilizado aquí no supone preferencia ni superioridad alguna, sino anterioridad o precedencia de algo respecto de otra cosa que depende o procede de ello. En el caso de los seres vivos, este concepto de prioridad ‒que define qué fue antes‒ enfrenta, entre otras cosas: a ácidos nucleicos con proteínas; a la estructura con la función; a la información secuencial con la conformacional; y, en el contexto de los procesos de endocitosis y exocitosis, al entrar con el salir.

En ciencia, un paradigma es un modelo que agrupa las ideas rectoras de la comunidad científica durante una determinada época, tanto en los métodos experimentales aplicados como en su interpretación. Como contradicción lógica a los postulados de un paradigma científico, el planteamiento y resolución de nuevas paradojas pueden llegar a modificar o incluso sustituir el paradigma vigente si este se muestra incapaz de explicar los nuevos datos que sustentan estas paradojas, especialmente si el cambio en el marco teórico que orienta la investigación científica va acompañado de nuevas y pujantes técnicas.

 

El paradigma genético  

El paradigma actual en Biología arranca con la determinación en 1953 de la estructura del ADN ‒que supuso el nacimiento de la Biología Molecular‒, hecho que, además de visualizar la intimidad molecular de los genes, permitió desentrañar de manera fácil los mecanismos para la custodia y transmisión de la información genética. Con ello, pronto se establece el carácter secuencial de la misma y la relación de código genético entre las secuencias de las cuatro bases nitrogenadas del ADN y las de las de los veinte aminoácidos de los polipéptidos de las proteínas.

Tras el descubrimiento del código genético secuencial, se enuncian dos principios generales ‒auténticos pilares del paradigma genético‒ con un carácter inicialmente dogmático: son los denominados Dogma Central de la Biología Molecular (DCBM) y Dogma de Anfinsen, que establecen respectivamente:

1)    que la información genética secuencial circula unidireccionalmente del ADN al ARNm, en un proceso denominado transcripción, y, mediante un proceso de traducción, de las bases del ARNm a los aminoácidos de las proteínas;

2)  y que a una determinada secuencia de aminoácidos le corresponde una sola estructura proteica tridimensional, y que esta última realiza una única función.

Así pues, el dogma de Anfinsen es el soporte del determinismo genético (una secuencia, una estructura, una función), recogido en el denominado paradigma estructura función, que supone una estructura TD rígida y definida acorde al modelo llave/cerradura (Fischer, 1894). Este modelo ‒utilizado para explicar los mecanismos moleculares de la actividad enzimática‒ exige una complementariedad única de estructuras rígidas entre el sustrato (llave) y la enzima (cerradura), y una posición espacial precisa de las cadenas laterales de los aminoácidos.

En resumen, el determinismo genético se manifiesta a través del flujo unidireccional de información secuencial (ADN/ARNm/proteínas), de manera que, de forma única y sin ninguna intervención ambiental, la secuencia de aminoácidos de cada polipéptido determine una sola estructura funcional nativa (considerada la estructura tridimensional termodinámicamente más estable), y que esta sea rígida y permita que el ligando específico se acople en ella como una llave en una cerradura.

La hipótesis inicial de Anfinsen, de naturaleza termodinámica, suponía el plegamiento espontáneo del polipéptido recién sintetizado para adquirir, casi instantáneamente, la estructura nativa. Para probarla realizó un experimento, ya clásico, de desnaturalización de una proteína pequeña, la ribonucleasa A. Tras quitar los agentes químicos desnaturalizantes, el polipéptido recuperaba su estructura nativa funcional. Este sencillo experimento se generalizó como el dogma de Anfinsen para todas las proteínas.

 

Contradicciones aparentes (paradojas) al paradigma genético

Para empezar, conviene señalar cuál es el marco filosófico de este paradigma estructura-función que incorpora un determinismo genético basado en la información secuencial, sin influencia ambiental alguna: una secuencia, una estructura proteica TD rígida (cerradura) que actúa funcionalmente sobre un ligando molecular que encaja en ella específicamente como una llave. Posiblemente sea Jacques Monod el científico que mejor ha explicitado el marco filosófico del paradigma genético determinista (información genética secuencial invariante y mutaciones al azar como fuente de variabilidad). En su célebre libro El azar y la necesidad, propone ‒para alcanzar la inmensidad de secuencias exactas que determinan las estructuras proteicas con funciones específicas en la biosfera‒ que la vida en la Tierra resulta de un acierto único en la ruleta cósmica; algo insólito, de naturaleza sobrenatural, alejado de la evolución química general del universo.

Volviendo de nuevo a las particularidades del paradigma, vemos someramente que los dos dogmas presentan excepciones:

1)    En el último cuarto del siglo XX, la unidireccionalidad del DCBM comenzó a fallar, entre otros casos, con la transcriptasa inversa (enzima que copia ARN en ADN) de los retrovirus. Además, la adquisición de información conformacional en las proteínas ‒que el DCBM considera determinada únicamente por la secuencia de aminoácidos‒ se vio vulnerada por fenómenos de propagación de conformaciones mediante proteínas como los priones.

2)    El Dogma de Anfinsen también encontró contradicciones a finales de siglo: por un lado, el plegamiento de las proteínas, in vivo, está asistido por proteínas que actúan como chaperonas moleculares. Por otra parte, en su experimento, Anfinsen consideró que el estado termodinámico del polipéptido desnaturalizado era idéntico al del polipéptido naciente en el ribosoma; estudios fisicoquímicos posteriores afirman que el polipéptido desnaturalizado guarda alguna información del proceso de plegamiento, ausente en el recién sintetizado.

Hay que tener en cuenta que en el proceso de plegamiento de un polipéptido se producen interacciones entre los grupos funcionales de los residuos de cada aminoácido, y que estas, dirigidas por un “embudo de energía”, hacen que la cadena se pliegue en milisegundos. Dicho sea de paso, para este proceso se planteó la denominada paradoja de Levinthal: una proteína debería tardar más que la edad del universo en encontrar su estructura funcional si fuera probando todas las formas posibles. Esta paradoja es un ejemplo de un planteamiento absurdo, si no se tiene en cuenta la continua estructuración en niveles de complejidad de las interacciones materiales… Precisamente, fue el propio Cyrus Levinthal el que propuso que, durante el proceso de plegamiento de una proteína para adquirir la estructura nativa, además del componente termodinámico debía darse uno cinético. Es evidente que, para que este proceso se dé en fracciones de segundo, tiene que haber intermediarios del plegamiento que impliquen la interacción de determinadas regiones hidrofóbicas en la formación de núcleos estables.

Básicamente, el agua interacciona con los polipéptidos seleccionando los residuos hidrofílicos e hidrofóbicos: aparta y forma un núcleo de orden con estos últimos y deja la mayor parte de los primeros expuestos al agua en la superficie.

La estructura reticular del agua líquida se opone al contacto con los residuos hidrofóbicos y contribuye a su colapso empujándolos y empaquetándolos; una vez agrupados, los residuos hidrofóbicos refuerzan el núcleo de orden (core hidrofóbico) mediante fuerzas de van der Waals (de naturaleza débil y que implica el contacto entre sus átomos). Este colapso hidrofóbico acelera el plegamiento del polipéptido, que pasa rápidamente por varios intermediarios, alrededor de lo que se conoce como glóbulo fundido (molten globule), para llegar a la estructura terciaria tridimensional; la cual, como veremos, no es rígida. El componente cinético del proceso de plegamiento implica que a la conformación final (estable termodinámicamente) se puede llegar por muchos caminos y no por uno solo. Como su nombre indica, el estado de glóbulo fundido ya tiene una estructura globular, pero pendiente de numerosas interacciones adecuadas para adquirir la estructura nativa funcional. En esta última etapa, pueden alcanzarse conformaciones incorrectas estables, pero no funcionales. Para evitar los graves problemas que estas disfunciones pueden ocasionar, se requiere la intervención de proteínas chaperonas que ayudan tanto en el correcto plegamiento de los polipéptidos como en la gestión de los mal plegados.

La universalidad del modelo llave-cerradura ‒que exigía una complementariedad única entre estructuras rígidas‒ para los mecanismos moleculares de la actividad enzimática, se vio amenazada por el fenómeno del alosterismo, que ofrecía una explicación a las complejas interacciones entre proteínas y sus reguladores, en las que las primeras experimentan cambios conformacionales frente al ligando. Se produce, así, un mecanismo de ajuste inducido: la enzima no es rígida, sino flexible y la unión del sustrato (u otro ligando regulador) provoca un cambio conformacional en el sitio de unión para ajustarse a él, mediante interacciones débiles (iónicas, puentes de hidrógeno y de van der Waals). En este sentido, actualmente se sabe que hasta las proteínas más estructuradas no son entidades rígidas similares a cristales, sino sistemas dinámicos con diferentes grados de flexibilidad conformacional. Así pues, las proteínas ordenadas existen como conjuntos dinámicos de conformaciones intercambiables, que ocurren en una escala de tiempo que es más rápida que el necesario para la determinación de estructuras por Rx y otras técnicas físicas.

 

En las proteínas intrínsecamente desordenadas la función es prioritaria a la estructura

Desde finales del siglo XX se sabe de la gran abundancia, especialmente en eucariotas, de proteínas intrínsecamente desordenadas (IDPs) y proteínas híbridas (con dominios ordenados y regiones intrínsecamente desordenadas, IDRs), que desafían los dogmas (DCBM y de Anfinsen) que sustentan el determinismo del paradigma genético actual. Estas proteínas carecen de una estructura tridimensional bien definida ‒presentan una conformación de glóbulo prefundido o fundido, intermedia entre la totalmente desplegada y la estructurada‒, pero pueden adquirir una estructura terciaria estable cuando se unen con baja afinidad a diversos ligandos que van desde pequeñas moléculas a moléculas más grandes, como ácidos nucleicos u otras proteínas. De esta manera, supeditan la estructura a las posibles funciones previas ‒la interacción con uno de varios ligandos posibles‒ en diversas rutas de regulación y señalización o en procesos adaptativos frente a cambios medioambientales. Estas interacciones frente a cambios mantenidos en el entorno ‒que no solo seleccionan, sino que también moldean‒ imprimen una información biológica, e incluso un tipo de herencia, de naturaleza conformacional.

 

La información biológica se escribe no se acierta

Hemos visto que el determinismo del paradigma genético (secuencia-estructura-función) se tambalea con el descubrimiento de la gran dinámica conformacional de las proteínas, pero esto no significa que el concepto de gen como unidad de información desaparezca, solo se matiza. Los nuevos avances en biología estructural liberan al gen del atributo de potencia activa, y sitúan la información genética en una posición central entre la información conformacional pregenética y la epigenética; las tres vertientes de la información biológica, evolutivamente trabadas tanto en la filogenia como en la ontogenia y la fisiología.

En contraste con el paradigma genético, de naturaleza determinista estructural, se va revelando un modelo funcional que, sobre la base de la información conformacional de las proteínas, explica el universo de las interacciones moleculares que estructuraron a los seres vivos en la Tierra desde su origen y durante su evolución. Igualmente, en el nuevo modelo aflora la idea de que la etapa prebiótica pregenética podría caracterizarse por la coevolución de información conformacional de tres tipos de proteínas en interacción con el ARN, formando ribonucleoproteínas, de la que surgiría el código genético: primero uno conformacional y posteriormente el secuencial. En este triunvirato proteico, que puede constituir el mecanismo general de adaptación al medio en el nivel supramolecular, tendríamos:

·      Las proteínas intrínsecamente desordenadas (IDPs), capaces de moldearse y adaptarse funcionalmente mediante unión a nuevos ligandos.

·       Los chaperones, que participarían estabilizando y guardando la coherencia funcional de las estructuras proteicas resultantes, tanto las pregenéticas como las genéticas.

·    Los conformones (priones funcionales), que seleccionarían y propagarían las nuevas conformaciones desde las etapas prebióticas.

 

En este modelo, la función es prioritaria a la estructura, y las nuevas aparecen como resultado de la plasticidad de las previas en su continua interacción frente a las contingencias de un medio cambiante. Así, los niveles de información pregenética, genética y epigenética responderían a la acumulación de “cultura molecular” de las proteínas en su peripecia evolutiva, desde el origen de la vida. De esta manera, el código genético se hace funcionalmente, no se “acierta”. 

Hemos visto cómo el abordaje de las paradojas biológicas acerca del ¿qué fue antes?, apuntan hacia un nuevo paradigma o, al menos, hacia una modificación profunda del anterior, donde el determinismo exclusivo del gen dé paso al papel moldeador del medioambiente, y se invierta el orden de prioridades: de las proteínas sobre los ácidos nucleicos, de la información conformacional (de proteínas y ARNs) sobre la secuencial (ARNm y ADN), y, en definitiva, de la función sobre la estructura.