¿Genética o medio ambiente?
Esta
disyuntiva aparece frecuentemente en muchos planteamientos biológicos, a veces
sin profundizar demasiado en estos conceptos, provocando cierta confusión. A mi
juicio, el primer error, por parte de algunos autores, viene de la hipertrofia
e imprecisión de los conceptos asociados a “lo genético”;
necesariamente acompañado de la minimización y simplificación de lo relativo al
medio ambiente. Así, es frecuente encontrar textos donde prácticamente se asimila
genotipo con organismo, al exagerar la fórmula: Fenotipo = genotipo + ambiente;
en una identificación, parcelada y mecanicista, del fenotipo con el organismo,
como mera expresión del genotipo. En este contexto, el medio ambiente aparece meramente,
de forma deslavazada, como las influencias externas que afectan al genotipo. Aún
más confusión provoca la frecuente identificación -con el mismo planteamiento
de la fórmula anterior- de la personalidad humana como la suma de naturaleza y
medio ambiente. Aquí, por naturaleza se entiende el genotipo con el que un
individuo viene al mundo. Pero el término genotipo se queda pequeño en estos
planteamientos. Por una parte, frecuentemente, representa sólo una visión
parcial y aislada de ciertos caracteres fenotípicos, refiriéndose, con él, al conjunto
pequeño de genes que se exhiben como responsables de un carácter o unos pocos. Por
ello, para darle más profundidad e importancia a estos planteamientos
reduccionistas, se emplea cada vez más el término “programa genético”;
pero ¿Qué se entiende por programa genético? Para llegar a este concepto vamos
a tocar, aunque sea someramente, otros que he mencionado previamente, como
naturaleza y gen.
¿Qué entendemos por naturaleza? En lo referente al término naturaleza, por su implicación en el concepto básico de la teoría de la evolución darwiniana, voy a recoger la argumentación de Darwin a las críticas de algunos autores a la selección natural, en el sentido de atribuir a este término una elección consciente por parte de los animales que se modifican, y que, por esto mismo, no se podría aplicar a las plantas, por carecer éstas de voluntad. Darwin expresa, dolido, la incomprensión de su concepto evolucionista fundamental (1):
“Se ha
dicho que hablo de la selección natural como de un poder activo o divino; pero
¿quién critica a un autor cuando habla de la atracción o de la gravitación como
rectoras de los movimientos de los planetas? … También es muy difícil evitar
personificar el término Naturaleza; pero por Naturaleza entiendo solamente la
acción combinada y los resultados complejos de un gran número de leyes
naturales; y por leyes, la sucesión de hechos, en cuanto son conocidos con
seguridad por nosotros.”
Así pues, para Darwin el término Naturaleza
tiene el mismo poder y alcance que otros como Cosmos y medio ambiente; aunque,
éste, reducido a las dimensiones de la vida en la Tierra-. En todos estos términos hablamos de seres
materiales, de diferentes niveles de integración, que interaccionan y se
modifican, de forma regular, sometidos a leyes. El concepto de medio ambiente
tiene un uso más práctico, y abarca todos los factores bióticos (los seres
vivos y los agentes relacionados con la vida) y los abióticos (seres no vivos,
o factores físicos y químicos), que interaccionan entre sí de forma natural.
Darwin lo tiene presente, sin nombrarlo especialmente (1):
“…yendo
hacia el norte, o ascendiendo una montaña, con mayor frecuencia nos encontramos
con formas enanas, debido a la acción directamente perjudicial del
clima…”
“…plantas
y animales se hallan entrelazados por una trama de complejas relaciones.”
“La
estructura de todo ser orgánico está relacionada, de la manera más esencial,
con la de todos los seres orgánicos con los que entra en competencia, de los
que tiene que escapar o a los que depreda.”
Así
pues, Darwin deja claro, en su enfoque evolutivo, cómo las especies se
relacionan tanto entre sí como con su ambiente físico y químico, en una red dinámica
de interacciones mutuas, mantenidas en el espacio y en el tiempo. Todos los
organismos vivos, lo son -tanto en la ontogenia, como en la filogenia y la fisiología-
como resultado necesario de esta red dinámica de interacciones naturales.
¿A qué
llamamos gen? Como ya hemos visto en post anteriores, el
término gen aparece, históricamente, como sustituto de los factores
hereditarios que Mendel postuló como unidades o partículas de información,
responsables de determinados caracteres observables y heredables. Durante la
década de los 40, del siglo XX, se alcanzó la fusión de dos de las ramas de la
biología, que nacieron en 1900 y más éxito alcanzarían -la genética y la
bioquímica- al relacionar una enfermedad metabólica con los genes. La ciencia
estableció, de forma rigurosa, la relación “un gen una enzima”, que más tarde
se universalizó a “un gen un polipéptido”. Pero, a algunos, esta relación les
parecía demasiado prosaica; así pues, como nos dice Gary Zweiger, un
investigador de la Standford University Schooll of Medicine, procuraron
elevarla a un terreno más místico (2):
“Morgan
et al. establecieron el postulado de la genética: “un rasgo, un gen” e
inspiraron un siglo de parloteo acerca de “un gen para…”, donde se podía
incluir cualquier característica, conducta o enfermedad.”
“Un
gen puede proporcionar la piedra angular… para diagnosticar una enfermedad,
tratarla con eficacia… o ganar millones de dólares. Alrededor del gen se ha
construido una estructura para la investigación biológica que se conoce como
determinismo genético. Es un paradigma científico que ha guiado a muchos
investigadores en la búsqueda de genes causales de enfermedad, rasgos, etc.”
Estos
comentarios críticos, sobre el gen, tienen aún más importancia dado que Zweiger
combina su visión genética académica con la empresarial, en compañías biotecnológicas
como Genentech e Incyte.
Otros
genetistas prestigiosos, como Richard C. Lewontin, autor y coautor de muchos
libros y artículos de éxito -alguno con el conocido evolucionista Stephen Jay
Gould-, presentan una visión menos reduccionista y determinista de la biología.
Así, en su excelente libro de divulgación Genes, organismo y ambiente (3),
dice:
“En
primer lugar, así como no puede existir un organismo sin un ambiente, tampoco
puede existir un ambiente sin algún organismo.”
“… los
organismos determinan biológicamente la naturaleza física efectiva de las
señales procedentes del exterior. Transforman una señal física en una
completamente diferente y el resultado de este cambio es lo que las funciones
del organismo perciben como una variable ambiental.”
“Los
fenómenos externos corrientes del mundo físico y biótico pasan a través de un
filtro de transformación creado por la biología específica de cada especie y es
el producto de esta transformación lo que llega a los organismos y se convierte
en algo relevante para ellos.”
No voy
a hacer ningún comentario a este respecto; sólo recuerdo que en el último post
(4 de marzo de 2020) hablamos del sistema de transducción de señales del
exterior, desde la membrana plasmática al interior de la célula, siguiendo una
pauta básica general de información biológica (pregenética, genética y
epigenética), tanto en la filogenia, como en la ontogenia y en la fisiología:
1. Cambio
ambiental.
2. Cambio
conformacional en las proteínas de la membrana plasmática.
3. Este
cambio conformacional activa un sistema de transducción de señales en cascada
hacia el interior de la célula, que también implican determinados cambios
conformacionales en proteínas.
4. Modificaciones
genéticas y epigenéticas, de mayor o menor alcance, como respuesta al cambio
ambiental.
Además,
Lewontín plantea un problema, de índole epistemológica, en la investigación
biológica:
“En
los últimos trescientos años, el modelo analítico alcanzó un éxito inmenso,
porque explica la naturaleza de una manera tal que nos permite manipularla y
prever sus comportamientos… Pero el éxito del modelo mecánico, a diferencia del
fracaso del modelo holístico, considerado oscurantista, ha producido una visión
hipersimplificada de las relaciones entre las partes y el todo y entre las
causas y los efectos. El éxito del reduccionismo ingenuo y del análisis
simplista se debió en parte a la naturaleza, por así decirlo, oportunista del
trabajo científico. Los hombres de ciencia abordan el estudio de aquellos
problemas que se adaptan a sus métodos… La ciencia, tal como la practicamos
hoy, resuelve los problemas para los cuales sus métodos y sus instrumentos son
adecuados, y los científicos pronto aprenden a plantearse sólo las cuestiones
que pueden ser resueltas.”
¿Qué es un programa genético?
Es
cierto que el enfoque genético -reduccionista y determinista- es como un farol
que ilumina, y mucho, una parcela de la realidad; pero que no sólo deja muchas
zonas de oscuridad, sino que, además de deslumbrar a los investigadores,
proyecta sombras fantasmagóricas acerca de su alcance e importancia, que va
desde la más realista relación entre genotipo y fenotipo, la que se da entre la
secuencia de bases de un gen y la secuencia de aminoácidos de un polipéptido;
hasta la delirante proposición de un programa genético. Es frecuente encontrarse
en libros o artículos científicos de biología con expresiones del tipo: “los
estímulos pueden desencadenar la activación de programas genéticos en el
cerebro”, u otras parecidas. Pero ¿qué es un programa genético? ¿Cómo se hizo y
cómo funciona en la ontogenia y en la filogenia? ¿Quién es el programador?
Debo
admitir que no he hecho un gran barrido, por libros y revistas científicas,
buscando una definición de programa genético; pero creo que mi búsqueda es
suficientemente significativa: algunos de los textos más conocidos de Genética;
Biología Molecular y Celular; Bioquímica y Biología General. En ningún caso he
encontrado esta entrada ni en el glosario ni en el índice analítico; ni
siquiera en el texto del Curtis (Invitación a la biología), cuyo
capítulo 14 lleva por título: Desarrollo:
La ejecución de un programa genético, que tampoco desarrolla este concepto
en ningún epígrafe de este capítulo. Tampoco en la Wikipedia aparece este
término claramente definido: aparece programación genética, refiriéndose a la
inteligencia artificial inspirada en supuestos principios de la evolución
biológica, y una definición muy simple de la Real Academia de Ingeniería: “Conjunto
de funciones desarrolladas y expresadas a través de la activación y supresión
de los genes en un organismo.” Por otra parte, en los diccionarios
generales, todo lo relativo a programa o programar gira alrededor de: instrucciones
escritas en lenguaje de programación, proyecto, sucesión de operaciones
conducentes a un fin determinado. En general, todo programa tiene un
planteamiento teleológico, ya que implica un programador que establezca un
proyecto con un orden espacial y temporal: una sucesión de actividades con un
sentido y una finalidad.
No
obstante, lo más interesante que he encontrado en la Wikipedia, sobre el
término programa genético, está en el Atlas of Genetics and Cytogenetics
in Oncology and Haematology:
“El
programa genético es un mensaje escrito por medio de las letras A, C, G, T. ¿En
qué se considera un programa? Lo es en el sentido en que un texto escrito puede
transmitir instrucciones. En nuestro lenguaje habitual, el menor enlace de las
veintiséis letras de nuestro alfabeto que tiene significación individual es una
palabra. El equivalente en el lenguaje genético es un gen. El sentido de la
frase, y el sentido de la obra literaria compuesta de frases, no es en ningún
caso reducible al sentido de la palabra: la palabra contribuye a este sentido
por el juego de las combinaciones. La significación de la palabra suele ser más
bien contextual. Del mismo modo, un gen no determina en caso alguno la
totalidad de las propiedades biológicas de una célula y con mayor motivo de un
organismo.”
Como
vemos, todo lo referente al gen y lo genético gira alrededor de símiles o metáforas
-según el menor o mayor grado de comparación que le demos- relativos al
lenguaje escrito o a la información cifrada. En el texto anterior comparan o
identifican gen con palabra: una secuencia de letras, en un determinado orden
-esto es, formando una estructura o significante- que representa un concepto
mental o significado. Comparan gen con palabra, y no con frase u obra literaria
“por
el juego de las combinaciones”, y porque “la significación de
la palabra suele ser más bien contextual.” Para seguir probando el grado
de adecuación de esta metáfora a la información biológica, podríamos
identificar el significante con estructura, y el significado con acción (sensu
lato con función); y, al igual que ocurre con las palabras en las frases, su
significado preciso depende del contexto, esto es del entorno con el que se
encuentra el gen. Pero conviene precisar, aún más, la metáfora gen-palabra.
Para empezar por lo último señalado, no es el gen el sujeto que interacciona
con el entorno o medio ambiente. De la misma manera que no es la palabra la que
se encuentra con un contexto -sino la persona que las utiliza según el contexto
en el que habla o escribe, combinándolas convenientemente-, no es el gen sino
el organismo, celular o pluricelular, y las proteínas -fundamentalmente los
receptores de membrana- los que se enfrentan directamente a las contingencias
medio ambientales. Por otra parte, al igual que las palabras tienen un
significado, y una función en la oración, anterior al significante (estructura);
las funciones biológicas preceden, son prioritarias, a las estructuras
seleccionadas para realizarlas. Como veremos a continuación, desarrollando la
metáfora gen-palabra, las funciones y subfunciones biológicas -que integran los
organismos vivos- se sustentan en estructuras -sistemas y subsistemas- que van
realizando acciones cada vez más elementales. Tanto las funciones como las
estructuras logradas a lo largo de la evolución están jerarquizadas y guardan
coherencia en sus respectivos niveles de organización e integración. El nivel
de acción más elemental, en las funciones biológicas, está en el nivel
supramolecular subcelular, y les corresponde a las proteínas.
¿Qué
son las proteínas? Las proteínas son biopolímeros informativos,
constituidos por uno o más polipéptidos, que también están formadas por
secuencias de letras, correspondientes a veinte aminoácidos. Como ya dijimos
anteriormente, la genética se basa en la relación entre genotipo y fenotipo,
más una confusa intervención del ambiente. El fundamento molecular de esta
relación, sin ningún añadido dogmático, está en la correspondencia, de código
genético, entre las secuencias de bases nitrogenadas de los nucleótidos del ADN
y las secuencias de aminoácidos de los polipéptidos de las proteínas. Así pues,
podríamos considerar a las proteínas como las palabras -con su significado y su
significante, esto es, su función y su estructura- y a los genes como los
depositarios de la información codificada de las palabras. Extendiendo la
metáfora, las proteínas se podrían identificar con la palabra hablada, más
vinculada a la acción -tanto en el origen de la humanidad y su evolución, como
en el desarrollo del niño y en la lectura de un texto-, mientras que los genes
se identificarían mejor con la palabra escrita. Así pues, del mismo modo que
los humanos fuimos los agentes que construimos un lenguaje, sobre la actividad social,
propiciando así una evolución cultural; podríamos decir que las proteínas son
los agentes que -mediante el código genético- construyen su lenguaje molecular,
genético y epigenético, su cultura molecular, tanto en la filogenia,
como en la ontogenia y en la fisiología celular.
El dogma central de la biología molecular: un edificio en ruinas
Más
que hablar de programa genético, habría que desentrañar el encadenamiento histórico
de la herencia pregenética, genética y epigenética; esto es, sensu lato, de toda
la información biológica que se ha formado y pasado, a lo largo de la
evolución, de una generación a la siguiente. Así pues, partimos del único hecho
que el denominado dogma central de la biología molecular (DCBM) ha establecido
con rigor científico; esto es, la relación secuencial -en el orden o secuencia
de sus monómeros- que se da entre el ADN/ARN y los polipéptidos de las
proteínas. Desde que, en el transcurso de la evolución, se estableció esta
relación, de código genético, todos los polipéptidos se sintetizan en el
ribosoma siguiendo la pauta de la información cifrada en las moléculas del ARN
mensajero (ARNm); más el concurso del ARN transferente (ARNt) -portador de los
aminoácidos- y de veinte enzimas aminoacil- ARNt sintetasas, que unen
específicamente los aminoácidos a los ARNt. Pero lo que no puede decir el DCBM
es cuándo se estableció esta relación; ni que el flujo de información es o ha sido
siempre unidireccional, del ADN a los polipéptidos; ni que la información
secuencial contenida en el orden de los aminoácidos en un polipéptido determine
inexorablemente su estructura terciaria conformacional; ni que ésta esté
siempre vinculada a una determinada función. Después de la relación secuencial
ADN/ARN/Proteínas -auténtica relación genotipo/fenotipo en estado puro- todo es
fisiología celular, con la intervención del ambiente molecular. No hay ningún
gen que albergue ningún programa de actuaciones, ni genes reguladores, ni gen
alguno que acompañe a las proteínas a su posición de trabajo: rutas
metabólicas, “máquinas proteicas”, receptores de membrana y rutas de
transducción de señales, proteínas reguladoras, etc.
Lewontin
(2000), dice al respecto:
“Naturalmente,
las informaciones sobre la estructura de las proteínas no están todas
almacenadas en la secuencia del ADN porque el plegamiento de los polipéptidos
contenidos en las proteínas no está del todo especificado en su secuencia de
aminoácidos.”
“Generalmente
los biólogos moleculares no llaman la atención sobre el hecho de que ignoramos
cómo se determina la estructura de las proteínas, pero continúan repitiéndonos
que es el ADN el que las fabrica.”
“Los
límites metodológicos de los experimentos se confunden con las explicaciones
correctas de los fenómenos. La tesis que muchos sostienen, según la cual son
los genes los que determinan las características de los organismos, nace de la
facilidad con que pueden producirse importantes modificaciones genéticas en el
curso de los experimentos… Por otra parte, sólo se toman en consideración
aquellos fenómenos que se prestan a ser estudiados mediante ese método.”
El
hecho de que algunas secuencias de aminoácidos puedan adoptar múltiples
conformaciones -en respuesta a distintas interacciones frente al ambiente
molecular-, produciendo, así, múltiples fenotipos a partir de una única
secuencia, no es obstáculo para que estos fenotipos, así generados, puedan ser
heredables. Esto contradice algunos postulados del DCBM, como el que afirma que
la información genética fluye unidireccionalmente, como información secuencial -del
ADN al ARN, y de éste a las proteínas- que determinará la aparición de un
determinado carácter. Por otra parte, el DCBM asume que sólo los caracteres con
una base genética son hereditarios, al contrario que los caracteres adquiridos
durante la peripecia del ser vivo frente a su medio ambiente, que desaparecerán
con él. Por el contrario, hay que tener en cuenta que, en primer lugar, hay más
caracteres que proteínas, y más proteínas (y aún más polipéptidos) que genes;
lo que difícilmente se puede explicar con el actual sentido de la información
biológica, dirigida del ADN a las proteínas. En segundo lugar, desde un punto
de vista evolutivo, lo más importante es la permanencia del mensaje biológico
en el tiempo, de manera que pueda constituir una tendencia evolutiva en forma
de caracteres fenotípicos seleccionables. Así, el ADN puede mantener su
invariancia reproductiva y, sobre ella, mutar repetidamente, y, sin embargo, no
poder mantener un fenotipo seleccionable. Por el contrario, una variación
ambiental, mantenida en el tiempo, puede provocar los mismos cambios
fenotípicos, igualmente mantenidos, en una población, en función de la
plasticidad de las proteínas y de la información epigenética generada por los
organismos de dicha población.
La herencia, esto es, la información
biológica que pasa de una generación a la siguiente, se fundamenta aquí en la
invariancia genética de la secuencia de bases del ADN y en la necesaria
coherencia de los cambios ambientales mantenidos frente a la misma secuencia de
aminoácidos. En general, el denominado ruido del desarrollo es una fuente
importante de variaciones fenotípicas, para un organismo, frente a los cambios
ambientales que, de forma contingente, acontecen en esta etapa de su ontogenia.
Aquí, son importantes tanto los cambios ambientales como el orden en que
aparecen. Concretamente, en el nivel supramolecular, la información
conformacional de las proteínas más plásticas está supeditada a la sucesión de
cambios con los que se encuentran en el ambiente molecular de la célula. Así
pues, por decirlo en términos genéticos, y siguiendo la lógica del DCBM, tenemos
que pasar de la fórmula Fenotipo = genotipo + ambiente, a Fenotipo =
polipéptido + ambiente; naturalmente, cambiando la perspectiva, mecanicista y
parcelada, del individuo como fenotipo, a una funcional e integrada del
individuo como organismo. Así, tendríamos que ver al polipéptido -como parte de
las proteínas- enfrentado a su ambiente molecular, tanto en el nivel
subcelular, como de organismo celular y pluricelular.
El fenotipo de las proteínas
Acabamos
de ver el planteamiento totalmente determinista del DCBM: una secuencia de ADN,
un carácter; mediante el flujo informativo, en un único sentido -y en una
relación de código genético-, desde la secuencia de bases del ADN hasta la
secuencia de aminoácidos de un polipéptido, pasando por la información, también
codificada, del ARN.
Pero
el DCBM deja una serie de preguntas abiertas:
·
¿El flujo de información ha sido siempre en
este sentido, del ADN o ARN a los polipéptidos? ¿Pudo inicialmente haber sido a
la inversa, de la información conformacional de los polipéptidos a la
secuencial del ARN y del ADN?
·
¿Determina inexorablemente la información
secuencial de un polipéptido su estructura terciaria conformacional?
·
¿Está la estructura tridimensional de una
proteína siempre vinculada a una función que determina? O lo que es lo mismo,
¿la función de una proteína viene siempre determinada por su estructura previa?
·
¿Quién es prioritario en la evolución
biológica, la estructura o la función?
Todas
estas preguntas se agrupan alrededor de numerosas excepciones que vulneran
tanto el DCBM como otros paradigmas actuales, relativos a la relación entre
estructura y función. Entre estas excepciones destacan los priones y las
proteínas intrínsecamente desestructuradas (IDPs).
Mucho
antes del surgimiento de la biología molecular -y su dogma central-, en los
albores del nacimiento de la bioquímica, Emil Fischer propuso (1894) el modelo
llave-cerradura para explicar el ajuste específico de las enzimas con los
sustratos objeto de su actividad enzimática. Con este modelo se asentó el
concepto una secuencia, una estructura una función, que ha llegado hasta la
actualidad.
Pero, en los inicios del siglo XX, además de
las enzimas, otra familia de proteínas exhibía una fuerte especificidad por sus
ligandos. Se trataba de los anticuerpos que presentan una especificidad
notable, con distintos grados de afinidad, frente a sus ligandos específicos,
denominados antígenos por ser las moléculas generadoras de anticuerpos. Los
trabajos de Karl Landsteiner (1868-1943) pusieron de manifiesto que los
vertebrados pueden elaborar anticuerpos específicos frente a un número
prácticamente ilimitado de determinantes antigénicos. Para algunos inmunólogos,
como Landsteiner, y bioquímicos, como Linus Pauling, esta enorme diversidad de
anticuerpos específicos implicaba formas geométricas complementarias entre cada
determinante antigénico y el correspondiente sitio de unión del anticuerpo. Pauling
y Landsteiner propusieron la denominada “teoría del molde directo”
(1940) donde el antígeno debía actuar como molde sobre el cual las moléculas de
anticuerpo desplegadas (inmaduras) se plegarían hasta adquirir la forma
globular (madura). En este proceso de plegamiento, la inmunoglobulina se
pondría en contacto con el antígeno moldeándose según la forma complementaria
requerida (4). Con este planteamiento, podríamos decir que lamarckiano, sobre
la formación de los anticuerpos -anterior al conocimiento de la estructura del
ADN y al establecimiento posterior del DCBM- Pauling y Landsteiner se
adelantaron a su tiempo, en más de medio siglo, acerca de la influencia del
medio ambiente en el fenotipo de las proteínas, concretamente en lo relativo al
conocimiento actual sobre las proteínas intrínsecamente desordenadas (IDPs) y
su vulneración manifiesta del paradigma estructura-función.
En
1961, Christian B. Anfinsen (1916-1995) reforzaría la creencia una secuencia,
una estructura una función, con sus trabajos de desnaturalización y
renaturalización, in vitro, de la enzima ribonucleasa. En estos
trabajos, de renaturalización, observó que la ribonucleasa era capaz de
recuperar su estructura y actividad enzimática al volver a las condiciones
fisiológicas adecuadas; concluyendo que en la secuencia de aminoácidos está toda
la información necesaria por parte de la proteína para adquirir su conformación
nativa: única, estable y formada con un consumo mínimo de energía libre. Al
menos para proteínas globulares pequeñas, in vitro, este postulado se
conoce como el dogma de Anfinsen. Pero,
en la biosíntesis de proteínas en el ribosoma, las cosas son distintas. En la
síntesis in vivo una misma secuencia puede presentar dos conformaciones
diferentes. En el ribosoma, distintos factores pueden afectar a la cinética del
proceso de biosíntesis de proteínas y, en consecuencia, producir variaciones
conformacionales (5). Además, en el proceso de plegamiento correcto influyen
otros factores: como, por ejemplo, que la cadena polipeptídica naciente
interaccione con el interior del ribosoma, y con otras proteínas como los
chaperones moleculares, que facilitan el mantenimiento de su estructura nativa.
Pero
¿hasta qué punto una determinada estructura terciaria y su función específica
asociada precisan de una fidelidad secuencial? Al examinar los patrones de
variabilidad de diversas familias proteicas observamos que, en contraste con la
permisibilidad a los cambios secuenciales, existen fuertes restricciones
estructurales a dicha variabilidad, que afectan fundamentalmente a los residuos
hidrofóbicos -que forman parte del núcleo hidrofóbico de la proteína-y mucho
menos a los residuos hidrofílicos de la superficie globular. En este sentido,
la comparación de secuencias de hemoglobinas de distintas especies revela que
algunas difieren en 137 de sus 141 aminoácidos conservando su identidad
estructural y funcional. Así pues, no es cierto que la información genética
contenida en la secuencia de aminoácidos sea muy exclusiva ni para el
plegamiento ni para la conformación de las proteínas. Son muchos los factores
-externos e internos-que intervienen en el plegamiento y conformación final de
las proteínas; y esto dificulta enormemente el encontrar programas para
predecir estructuras a partir de secuencias, como bien saben los
bioinformáticos.
Antes
de meternos más a fondo con las proteínas intrínsecamente desordenadas, quiero
abordar más someramente algunas cuestiones relativas a los priones, como proteínas
que implican una excepción notable del dogma de Anfinsen y del DCBM; para un
desarrollo más en profundidad, de las ideas que voy a exponer a continuación,
consultar los posts de 10 de marzo de 2017 y de 4 de marzo de 2020.
Las proteínas que aparentemente se comportan como virus y genes: priones y conformones
Los
priones se descubrieron como agentes infecciosos, exclusivamente proteicos, en
determinadas enfermedades neurodegenerativas de mamíferos, donde se comportan
como un virus. También se asociaron, e identificaron, a determinados procesos
de “herencia no mendeliana” donde, aparentemente, se comportan como un
gen; en cuyo caso, a estas proteínas funcionales -propagadoras de información conformacional-
es mejor denominarlas conformones, para diferenciarlas del
comportamiento patológico de los priones (6). En ambos tipos de procesos
-patológicos y fisiológicos- los priones y conformones pueden transmitir
información estructural y autorreplicarse, induciendo el correspondiente cambio
conformacional en otras formas proteicas con idéntica o muy semejante
secuencia. El comportamiento anómalo de
estas proteínas hidrofóbicas fue estudiado por S. Prusiner, quien en 1982 acuñó
el acrónimo Prión a partir de la denominación de estos agentes como proteinaceus
infectious particles, más eufónico que proin, (7). Prusiner propuso la
hipótesis de “la proteína sólo”: la propagación priónica se realiza
mediante un mecanismo de cambio conformacional o moldeamiento inducido de la
proteína celular normal por la proteína patogénica, mediante interacción
directa entre ambas. Más sorprendentes aún para el tema que nos ocupa -la
prioridad entre información secuencial y conformacional, y entre estructura y
función- son las diferencias de los patrones de variabilidad con los virus, a
los que, en principio, se asemejan en comportamiento. Antes de seguir con este
tema, tan sólo quiero aclarar que utilizo el término prioridad no en el
sentido de capricho o preferencia, sino en la acepción de “anterioridad
o precedencia de una cosa respecto de otra que depende o procede de ella”.
En los patógenos clásicos, las diferencias aparecen en su genoma (ADN o ARN),
manifestándose en forma de especies y subespecies o cepas. Pero, en el caso de los priones, ¿cómo puede
sólo una proteína, sin el concurso de los ácidos nucleicos, codificar, producir
y transmitir variabilidad? Esto parece imposible en el paradigma genocéntrico
actual. El problema se agrava cuando vemos aparecer la inconmensurabilidad en conceptos,
como especie y cepa, entre nuevos agentes infecciosos, como los priones, y
otros agentes infecciosos clásicos, como los virus. Como hemos visto, una
especie vírica viene definida por unas determinadas características genéticas
de tipo secuencial, esto es, codificadas en secuencias de bases nitrogenadas de
su ADN o ARN. Las subespecies o cepas víricas comprenden algunas variantes
secuenciales menores dentro de una especie; que, por lo tanto, es prioritaria a
la cepa. Por su parte, para los priones los conceptos de especie y cepa son muy
distintos y desconcertantes. La especie de un prión viene definida por la
secuencia de la proteína celular normal (PrPc), transformada por él,
y perteneciente al último mamífero por el que ha pasado. El paso de priones de
una especie a otra viene limitado por lo que se conoce como barrera de especie:
la mayor o menor dificultad que tienen los priones producidos en una especie,
para propagar sus conformaciones en otra especie. En general, cuanto más se
parezcan las secuencias de la proteína del prión (PrP), la priónica (PrPsc)
y la forma celular del huésped (PrPc), tanto más será la
probabilidad de saltar la barrera de especie. Hasta aquí no parece haber
demasiada diferencia con los virus. Pero otros factores también influyen en el
fenómeno de la barrera de especie: la cepa del prión y la especificidad de
especie de una proteína que actúa como un chaperón, uniéndose a la PrPc
y facilitando su conversión en PrPsc. Por su parte, las cepas
priónicas se definen como subespecies del agente infeccioso capaces de mantener
perfiles fenotípicos específicos. Siguiendo la lógica genética secuencial, del
paradigma genocéntrico, las cepas presentarían secuencias que procederían de su
especie priónica (que por tanto sería prioritaria a la cepa), pero no es así:
la variabilidad que manifiestan las cepas de un prión no son atribuibles a
diferencias en la secuencia de aminoácidos. Se ha observado que, además de
diferencias fisicoquímicas, las cepas también presentan diferentes
conformaciones. Varios estudios apoyan la hipótesis de que cada cepa de prión
parece identificarse con una determinada conformación de las diferentes que
puede adoptar una especie de PrPsc, identificada por su secuencia. Estas
conformaciones se pueden propagar induciendo el correspondiente cambio
conformacional en PrPc con secuencias idóneas, cuyas diferencias no
supongan una barrera de especie. Esta barrera generalmente será mayor cuanto
más alejadas evolutivamente estén las especies, aunque teóricamente podrían
existir especies “puente” entre dos que presenten el efecto barrera (6).
En este fenómeno de propagación de cepas por especies diferentes se pone de
manifiesto que la conformación de la cepa se impone a la secuencia de la
especie: nos encontramos tanto con secuencias (especies) que pueden adoptar
diferentes conformaciones (cepas), como con conformaciones que pueden estar en
diferentes secuencias. Estos datos, relativos a la propagación del fenotipo
molecular que caracteriza las distintas cepas proporcionan un fuerte apoyo a la
hipótesis de la proteína sólo, tanto en lo relativo a los mecanismos de
transmisión priónica como en la codificación de la variabilidad de cepas en la
estructura terciaria de este tipo de proteínas. Aquí se nos presenta una
paradoja, ¿dónde está la prioridad? ¿En la cepa o en la especie? ¿En la
conformación o en la secuencia? Para explicar esta y otras paradojas debemos
salirnos del paradigma genocéntrico que incluye el dogma de Anfinsen y el DCBM.
Las conformaciones (cepas) no son subespecies en el sentido filogenético, es
decir, no han derivado de una especie (definida por su secuencia). Como ya se
ha expuesto repetidamente en este blog, muchos hechos -como los recogidos en
esta paradoja- llevan a pensar que la evolución de las proteínas se pudo
producir en dos etapas distintas:
· Una
primera etapa prebiótica de selección de información conformacional proteica pregenética,
origen de los conformones.
· Una segunda
etapa, biótica, donde en coevolución conformacional con el ARN, se establecería
el código genético: primero conformacional y luego secuencial.
Así
pues, la posible solución de esta paradoja vendría de deslindar y situar
correctamente las etapas evolutivas: las cepas (conformaciones) son
prioritarias a las especies (secuencias) ya que lo pregenético es prioritario a
lo genético y a lo epigenético, y esto tanto en la filogenia, como en la
ontogenia y en la fisiología (incluidas sus disfunciones patológicas).
Ahora
estamos en condiciones de poder dar alguna respuesta alternativa a las
preguntas que nos hicimos antes:
·
¿El flujo de información ha sido siempre en
este sentido, del ADN o ARN a los polipéptidos?
Efectivamente,
desde la etapa prebiótica pudo haber sido a la inversa: de la información
conformacional de los polipéptidos, y del ARN, a la secuencial del ARN y del
ADN, invirtiendo el DCBM (6 y blog 2017). Aún más, hay hechos que apuntan a que,
dado que las páginas de la evolución se escriben mediante el continuo diálogo
entre organismo y ambiente, es posible que no sólo, desde el origen de la vida,
la información conformacional pregenética sea prioritaria a la genética; sino
que también esta información conformacional opere en todos los procesos
epigenéticos a lo largo de la evolución: en la filogenia, en la ontogenia y en
la fisiología.
·
¿Determina inexorablemente la información
secuencial de un polipéptido su estructura terciaria conformacional?
Ya
hemos visto sobradamente con las especies y cepas priónicas que la respuesta es
no. A continuación, veremos que las IDPs también niegan estos postulados del dogma
de Anfinsen y del DCBM.
·
¿Está la estructura tridimensional de una
proteína siempre vinculada a una función que determina? O lo que es lo mismo,
¿la función de una proteína viene siempre determinada por su estructura previa?
Esta
pregunta también se contestará preferentemente en el siguiente apartado.
En las proteínas intrínsecamente desordenadas la función es prioritaria a la estructura
En el
post anterior -4 de marzo de 2020- tratamos algunos temas relacionados con
estas proteínas desestructuradas, que no vamos a repetir (8). Aquí vamos a
centrarnos fundamentalmente en cómo estas proteínas intrínsecamente
desordenadas (IDPs) desafían el paradigma básico de la biología estructural: “la
estructura de las proteínas determina su función”. El DCBM engloba este
paradigma con el dogma de Anfinsen, en un paradigma genético superior; y marca
un flujo de información secuencial en un único sentido, que determina la
estructura y la función de las proteínas: la información genética secuencial
fluye unidireccionalmente del ADN a las proteínas, pasando por el ARN,
determinando una única secuencia de aminoácidos, que determina una única
estructura tridimensional (TD) y una única función. El paradigma genético del
DCBM ha conducido la investigación de la estructura proteica hacia proteínas
con estructuras únicas, bien definidas, mediante estudios de sus estructuras
cristalinas con Rx. Estos estudios estructurales reforzaban una visión estática
de las proteínas funcionales como cerraduras únicas para llaves únicas, aunque
se admitía un cierto grado de flexibilidad conformacional, como, por ejemplo,
en las proteínas alostéricas.
Sin
embargo, desde hace una veintena de años se ha acumulado una cantidad notable
de conocimiento acerca de muchas proteínas que contienen segmentos funcionales
desordenados, parcial o totalmente, carentes de una estructura TD bien
definida, pero que pueden adoptar conformaciones funcionales cuando se unen, de
forma poco específica, a diversos ligandos (9). Las IDPs y las proteínas
híbridas -que contienen tanto dominios ordenados como regiones funcionales
intrínsecamente desordenadas (IDPRs)- son muy abundantes en la naturaleza. Tanto
las IDPs como las IDPRs poseen sesgos bien reconocibles, en su composición -fundamentalmente
hidrofílica- y en su secuencia de aminoácidos. Presentan una notable
heterogeneidad estructural, en la que diferentes partes de una determinada
cadena polipeptídica pueden exhibir diferentes grados de orden: potencialmente
plegable, parcialmente plegable, diferentemente plegable o no plegable. Estos
segmentos estructurales cambian de estructura en diferentes momentos, y su
distribución también cambia constantemente en respuesta a los cambios
ambientales. Así pues, las IDPs y las IDPRs no tienen una única estructura en
equilibrio bien definida y existen como uniones heterogéneas de confórmeros. Esta
organización estructural en mosaico es crucial para sus funciones, y muchas
IDPs están comprometidas en funciones biológicas que dependen de una alta
flexibilidad conformacional, como regulación, señalización, control; y, en
general, adaptación a los cambios del medio ambiente molecular.
Evolución ondulante del desorden proteico intrínseco
Para
analizar estos datos generales, con más detalle, en principio, vamos a ver cómo
las diferencias estructurales -entre los polipéptidos y dominios de las
proteínas globulares ordenadas, y las IDPs e IDPRs- se justifican sobre la base
de las peculiaridades de sus secuencias de aminoácidos (9). Las IDPs solubles
presentan un bajo contenido de residuos hidrofóbicos, y alto de residuos
hidrofílicos. Las proteínas globulares ordenadas necesitan un núcleo (core),
fuertemente hidrofóbico, sobre el que ordenar su estructura TD. Por ese motivo,
las IDPs exhiben, fundamentalmente, una baja cantidad de residuos promotores de
orden, y una mucho mayor de residuos promotores de desorden. Entre el primer
tipo de residuos destacan: los hidrofóbicos alifáticos (como Ile, Leu y Val) y
aromáticos (como Trp, Tyr y Phe); y también Cys y Asn. Entre los residuos
promotores de desorden -abundantes en las IDPs- tenemos los apolares
hidrofóbicos (Ala y Pro) y los polares hidrófilos (Arg, Gly, Gln, Ser, Glu y
Lys). Una escala más completa de residuos (de promotores de orden a promotores
de desorden) comprendería: Trp, Phe, Tyr, Ile, Met, Leu, Val, Asn, Cys, Thr,
Ala, Gly, Arg, Asp, His, Gln, Lys, Ser, Glu y Pro.
Las
IDPs y las proteínas híbridas -que contienen tanto dominios ordenados como
regiones funcionales intrínsecamente desordenadas (IDPRs)- son muy abundantes
en la naturaleza -de hecho, han pasado de ser la excepción a ser la regla-,
aunque hay mucha mayor representación en eucariotas que en arqueas, y bastante
más en éstas que en bacterias. Esta distribución asimétrica en los tres
dominios biológicos plantea un problema complejo que requiere una explicación
lo más sencilla posible. Uversky lo explica sobre la base del repertorio
funcional de las proteínas desordenadas (9). Las IDPs e IDPRs están comúnmente
implicadas en procesos de señalización, reconocimiento y regulación; por lo que
es frecuente su presencia en las complejas redes de regulación de los
eucariotas, especialmente los pluricelulares. Esta asociación de desorden
estructural con complejidad morfológica evolutiva está en línea con la lógica
del vigente paradigma genocéntrico; aunque se ha visto que muchos eucariotas
unicelulares acumulan más cantidad y variabilidad de estructuras desordenadas
que los eucariotas pluricelulares. Por esta razón, Uversky razona que la
cantidad y variedad de IDPs e IDPRs, en eucariotas unicelulares, iría vinculado
al aumento de variabilidad ambiental: mayor para los protistas que para las
células eucariotas de un organismo pluricelular, dotado de mecanismos de
homeostasis.
Uversky
nos muestra en una gráfica -figura 2, de la página 6 de su libro (9)- sobre la
distribución del desorden intrínseco en varios proteomas, que algunos virus
presentan un promedio de residuos desordenados mayor que bacterias, arqueas y
eucariotas; aunque, en general, la distribución del desorden, en los virus
analizados, guarda cierta simetría con la de las células de los tres dominios.
Además, también es llamativo ver una gran cantidad de arqueas agrupadas con la
mayoría de las bacterias en el área de porcentaje bajo de residuos
desordenados. Igualmente, también aparecen bastantes arqueas -y un grupo de
bacterias- con un porcentaje de desorden similar a algunos eucariotas
unicelulares. Una posible explicación de estos datos coincidentes, en
determinadas especies de los tres dominios, es la posible coevolución de estas
especies en algunos ecosistemas especiales.
A la
hora de explicar el origen y evolución de las proteínas desordenadas, Uversky
acude a una explicación tortuosa, que denomina “wavy evolution”, sobre
la base de una serie de datos, como -además de los analizados anteriormente,
entre otros- la vinculación de mecanismos genéticos como el splicing
alternativo de ARNm y la generación de IDPs e IDPRs, relacionadas con la
señalización y diferenciación celular en eucariotas. Estos datos, le llevan a
pensar en la aparición de las estructuras desordenadas alrededor del origen de
los eucariotas. Pero, por otra parte, razona que es difícil imaginar la
aparición súbita de estructuras ordenadas en la etapa prebiótica; y -tomando
como referencia el famoso experimento de Stanley L. Miller and Harold C. Urey,
donde sólo se encontraron alrededor de la mitad de los modernos aminoácidos-
concluye que las primeras proteínas estarían formadas tan sólo por unos pocos
de ellos; apoyándose, también, en la teoría biosintética de la evolución del
código genético, de F. Crick, donde una forma primitiva de éste (con dobletes
antes de la aparición de tripletes) codificaría tan sólo para unos pocos
aminoácidos.
¿Cuáles
serían los primeros aminoácidos? Con estas y otras premisas, se
ha intentado saber qué aminoácidos son más o menos antiguos. Así, se ha
propuesto la siguiente lista con el supuesto orden de aparición de los
aminoácidos: Gly/Ala, Val/Asp, Pro, Ser, Glu/ Leu, Thr, Arg, Asn, Lys, Gln,
Ile, Cys, His, Phe, Met, Tyr, Trp. Muchos de los primeros aminoácidos (como Gly,
Asp, Glu, Pro y Ser) son promotores de desorden y abundan en las IDPs; mientras
que los promotores de orden (Cys, Trp, Tyr y Phe) fueron incorporados
posteriormente. La leucina (Leu) y la
valina (Val) aparecen como excepciones, ya que serían aminoácidos tempranos,
pero promotores de orden.
Interpretar
los datos obtenidos, en cualquier campo de la actividad científica, supone
enhebrarlos con el hilo de un razonamiento causal y lógico, para construir un
discurso o argumento. Pero los datos, así unidos, pueden ofrecer diversas
interpretaciones: según los ensartemos en un orden u otro; según los unamos
todos o escarbemos entre ellos, escogiendo sólo los que nos interesan; o, lo
que es peor, según veamos el dato sólo como dato -obtenido rigurosamente mediante
el método científico experimental- o, por el contrario, lo distorsionemos elevándolo
injustificadamente a teoría o a dogma. En este último caso, el dato no se deja
enhebrar, y opera más bien como una roca dura que desvía el curso de un río, ocasionando
un meandro. Por este motivo, al construir una teoría, debemos apreciar tanto la
integración del mayor número de datos significativos posible, como la sencillez
de sus explicaciones, en un discurso directo e inclusivo, sin desvíos
innecesarios.
Los
datos aquí presentados sugieren que los primeros polipéptidos fueran intrínsecamente
desordenados, pero Uversky propone que, éstos, carecieran de cualquier
actividad catalítica; y, que, por el contrario, actuasen como chaperones del
ARN. Argumenta, a favor de esta hipótesis: que está en línea con “the RNA
world theory”; y que, durante la evolución de la actividad enzimática, la
catálisis sería transferida desde el ARN a las ribonucleoproteínas,
primeramente, y después a las proteínas. Continúa su argumentación valorando
positivamente la capacidad, como chaperones, de las proteínas desordenadas para
mantener la estructura del ARN, dada su tendencia al plegamiento incorrecto. Igualmente
valora la mayor variabilidad de las propiedades físicas y químicas de los
aminoácidos frente a los nucleótidos, y la mayor estabilidad estructural de las
proteínas respecto al ARN; concluyendo, por lo tanto, que la transición de la
actividad enzimática desde las ribozimas a las proteínas, guarda una lógica
evolutiva. Pero, y aquí viene otro meandro en el curso de la argumentación: una
catálisis eficiente requiere una estructura estable, por lo que la actividad
enzimática generaría una fuerte presión selectiva a favor de las estructuras
ordenadas y bien plegadas. Uversky propone que la evolución global de las
proteínas desordenadas sigue una senda ondulada (wavy pattern): primero,
proteínas muy desordenadas con actividad de chaperones del ARN; seguida de
sustitución gradual por enzimas bien plegadas y con estructuras muy ordenadas;
y, por último, con la aparición de los eucariotas, el desorden fue “reinventado”
para hacer frente a sus complejos procesos de regulación.
En
relación con todo esto, otra cuestión importante hace referencia a la
comparación de la velocidad de cambio evolutivo entre las proteínas y regiones
desordenadas (IDPs e IDPRs) y las ordenadas. Los datos disponibles ofrecen un
poco de todo, pero, aunque en la generalidad de las proteínas los residuos
hidrofílicos -característicos de las estructuras desordenadas- son más
permisivos con los cambios que los hidrofóbicos; la explicación no puede
atender exclusivamente a consideraciones estructurales, siendo tan importantes
o más las funcionales. Efectivamente, es bien sabido que generalmente, en las
proteínas globulares, los residuos hidrofóbicos forman parte del núcleo (core)
de la proteína, y que, por lo tanto, presentan fuertes restricciones estructurales
al cambio. Por el contrario, también en general, los residuos hidrofílicos
están más en superficie, y, si no están implicados directamente en alguna
relación funcional, son más permisivos con los cambios. No obstante, siempre
hay excepciones a esta regla: residuos hidrofóbicos implicados en las
interacciones con el ligando; o, mejor aún, anfipáticos como la Tyr, que dan
mucho juego en el sitio de unión, por su doble posibilidad de interacción,
polar y apolar. En cualquier caso, vemos que las excepciones a las
generalidades estructurales atienden siempre a criterios funcionales. Así, por
ejemplo, en la comparación interespecífica de las mismas enzimas, la
variabilidad se concentra en residuos permisivos con la estructura TD de la
enzima en cuestión, y está totalmente restringida en los residuos que forman el
centro catalítico, específico del sustrato. Por el contrario, en los
anticuerpos, la variabilidad se concentra en las tres regiones determinantes de
la variabilidad (CDRs 1, 2 y 3) de los dominios variables de las cadenas
pesadas y ligeras de las inmunoglobulinas. No hay una velocidad de cambio de
los residuos independiente de la funcionalidad global de la proteína, en la
célula y en el individuo pluricelular.
No
obstante, se observa una tendencia significativa de selección positiva, en
proteínas, de IDPRs en comparación con regiones de hélices α, láminas β o
estructura terciaria. Uversky lo explica por el potencial adaptativo de estas
regiones, mediante variación genética, que facilitaría la evolucionabilidad de
células y organismos. En este sentido, en el último post -de 4 de marzo de
2020- vimos algún ejemplo (anticuerpos catalíticos) de cómo las proteínas
pueden especializarse adaptativamente, con un aumento de especificidad y
afinidad, pasando de estructuras más desordenadas a más ordenadas, al tiempo
que se selecciona un mecanismo funcional de tipo llave-cerradura a partir de
otro de tipo ajuste inducido. Estos procesos de transición de estructuras más
desordenadas (adaptadas directamente a los cambios del ambiente molecular) a
más ordenadas -mediante mecanismos genéticos, más o menos dirigidos- podrían
representar el modelo general de especialización funcional de las proteínas.
Antes
de continuar con otros aspectos de las IDPs, vamos a recapitular los datos
mostrados por Uversky, y su forma de enlazarlos (evolución ondulada de las
IDPs), para razonar otro posible relato, más directo. Podemos empezar con los
hallazgos de splicing (corte y empalme) alternativo de ARNm, que
codifica para IDPRs con mucha más frecuencia que para regiones estructuradas.
De momento, sólo quiero señalar que tanto el mecanismo del splicing como
el complejo molecular que lo ejecuta, el spliceosoma, constituyen una de
las señas de identidad eucariota. Por otra parte, se otorga una prioridad al
ARN sobre las proteínas, basada en: la insuficiencia de aminoácidos entre las
moléculas obtenidas en el experimento de Miller; en el código primitivo de
dupletes, que formarían proteínas con aminoácidos promotores de desorden; en la
actividad catalítica de las ribozimas (según el modelo del mundo de ARN), aunque
con la ayuda de IDPs como chaperones no específicos. Con estas y otras
premisas, vamos a mostrar que la hipótesis de la “wavy evolution” de las
IDPs, puede ser sustituida por otra más directa.
Origen y evolución de las proteínas: desde la “sopa primordial” hasta los eucariotas, sin “meandros”
Primeramente,
vamos a analizar de nuevo algunos de los datos vistos hasta ahora. En primer
lugar, si en el experimento de Miller no aparecieron los veinte aminoácidos que
constituyen todas las proteínas biológicas; debemos tener en cuenta que menos
aún aparecieron las bases nitrogenadas, que son la esencia informativa de los
ácidos nucleicos (ARN y ADN). Por otra parte, es difícil encontrar, en las
revisiones sobre la etapa prebiótica del origen de la vida, referencia alguna a
los experimentos de síntesis prebiótica de Sidney Fox acerca de lo que él
denominó proteinoides termales y microesferas.
¿Qué
son los proteinoides termales y las microesferas de Fox? Al igual
que Miller, Fox consiguió la síntesis de aminoácidos a partir de moléculas
inorgánicas. Con algunos de estos monómeros -especialmente los obtenidos por
Miller- consiguió la síntesis de polipéptidos a los que llamó proteinoides termales;
y, a partir de éstos, obtuvo unos glóbulos, que realizaban algunas actividades
enzimáticas poco específicas, a los que llamó microesferas. Todos estos
procesos los llevó a cabo con el concurso de energía térmica (entre 130º y 180º
C) compatible con las emanaciones termales en zonas volcánicas (abundantes en
la etapa prebiótica terrestre). A diferencia de los coacervados de Oparin -que
portaban una enzima, extraída de una célula actual-, las microesferas de Fox presentaban
una actividad enzimática inherente a su propia estructura, como reacciones de
oxidación, rotura de enlaces por hidrólisis, etc. Las microesferas de Fox,
además de proteínas, están rodeadas de una membrana parecida a la bicapa
lipídica, y son capaces de crecer y dividirse mediante fenómenos de bipartición
y de gemación; así como de llevar a cabo la fusión entre microesferas.
Para
tener una visión, lo más panorámica posible, de todos los datos manejados hasta
ahora, vamos a revisar las clasificaciones de aminoácidos -según su capacidad
promotora de desorden u orden, y según su supuesto orden de aparición en la
Tierra- indicando, en cursiva, los aminoácidos mayoritarios en la síntesis de
Miller; y, en negrita, los aminoácidos obtenidos por Fox.
Así, en la lista de aminoácidos según su
capacidad promotora de desorden u orden, colocando los residuos de promotores
de desorden a promotores de orden: Pro, Glu, Ser,
Lys, Gln, His, Asp, Arg, Gly, Ala, Thr,
Cys, Asn, Val, Leu, Met, Ile, Tyr, Phe y
Trp.
Igualmente,
la lista con el supuesto orden de aparición de los aminoácidos quedaría así: Gly/Ala,
Val/Asp, Pro, Ser, Glu/ Leu,
Thr, Arg, Asn, Lys, Gln, Ile, Cys, His, Phe, Met, Tyr,
Trp.
Como
vimos anteriormente, muchos de los propuestos como primeros aminoácidos (Gly,
Asp, Glu, Pro y Ser) son promotores de desorden y abundan en las IDPs; mientras
que los promotores de orden (Cys, Trp, Tyr y Phe) serían incorporados
posteriormente. Pero, la leucina (Leu)
y la valina (Val) aparecen como excepciones, ya que serían aminoácidos
tempranos y promotores de orden; y, por otra parte, hay que tener en cuenta que
aminoácidos como Ile, Tyr y Phe, propuestos para su
aparición tardía en el escenario de síntesis prebiótica, y promotores de orden,
aparecen en la síntesis llevada a cabo por Sidney Fox.
¿Cuáles
eran realmente los aminoácidos obtenidos en el experimento de Miller? Además
de estos datos, en 2008, un grupo de investigadores rescató muestras archivadas
de otros experimentos realizados en 1958, simulando otros ambientes, con el
aparato que inicialmente usó Miller en 1953 (10). Aplicando modernas técnicas analíticas
-de cromatografía (HPLC) y de espectometría (MALDI-TOF)-, entre otras
moléculas, se encontraron los veinte aminoácidos proteicos. Naturalmente, se
comprobó que éstos no resultasen de contaminación alguna. Las nuevas condiciones
de la simulación de Miller se han considerado como modelo de la síntesis
orgánica abiótica en ambientes volcánicos, con una alta concentración de H2S.
Además, los aminoácidos más abundantes en las condiciones prebióticas de este
experimento son muy semejantes a los más abundantes en algunos meteoritos carbonáceos.
En ambos ambientes resulta fundamental la intervención del H2S para
la síntesis de estos aminoácidos. Además de los aminoácidos más abundantes en
los experimentos de 1953: Glu, Asp, Gly, y Ala; en los experimentos de 1958
también aparecieron en abundancia: Ser, Thr, Cys, Leu, Met e Ile.
La nueva
lista de aminoácidos, colocando los residuos de promotores de
desorden a promotores de orden, quedaría así: Pro, Glu,
Ser, Lys, Gln, His, Asp, Arg, Gly,
Ala, Thr, Cys, Asn, Val, Leu,
Met, Ile, Tyr, Phe y Trp. Donde los
aminoácidos subrayados son los “rescatados” de los experimentos de Miller de
1958.
Con
esta nueva perspectiva, no sólo podríamos contar, potencialmente, con todos los
aminoácidos para construir otro posible relato del origen de la vida; sino que,
entre los candidatos a pertenecer al grupo de los más abundantes, tenemos una
cantidad importante tanto de promotores de desorden como de promotores de orden.
¿Cómo
fue el primer código genético? Continuando con las premisas
que nos llevaban de la síntesis prebiótica a la evolución ondulada de
las IDPs, pasando por un mundo de ARN, vamos a abordar el origen del código
genético secuencial, bien sea con tripletes o con dobletes. Todo lo que se va a
contar a continuación aparece con más detalle en el post de 2017, y en el post
del 4 de marzo de 2020. En este y en los otros post, hemos visto que dentro del
dominio de información conformacional pregenética tenemos las características
esenciales o constitutivas de las proteínas -anteriores a la información
genética que empieza con el código genético- tanto en lo relativo a la
plasticidad proteica específica de estructuras desordenadas frente a ligandos
diversos, como en la propagación de conformaciones por medio de proteínas tipo
prión, a las que denominamos conformones.
Esta
información pregenética se establecería en la etapa de evolución prebiótica y
daría lugar, entre otras cosas, a la selección de ribonucleoproteínas (RNPs), estableciendo
un código conformacional -entre las estructuras tridimensionales de proteínas y
ARNs- previo al código genético secuencial. Este código no sería degenerado y
está representado por la especificidad enzimática de las 20 aminoacil ARNt
sintetasas: una por cada aminoácido y por su correspondiente ARNt,
caracterizado por el lazo D de su estructura, no por su anticodón. La
invariancia en la información secuencial condiciona, pero no determina, la
plasticidad conformacional de las proteínas, sobre todo en aquellas que
mantienen porciones funcionales, más o menos grandes, de estructura
desordenada.
Conviene
subrayar, aquí, la importancia funcional de las IUPs, ya que intervienen como
reguladoras en procesos celulares clave, tales como transcripción, traducción,
transducción de señales y ciclo celular; así como en muchos procesos de
adaptación molecular. Así pues, es posible que la funcionalidad esencial de la
célula -y no determinados procesos exóticos- precise del concurso de éstas y,
también, de otras proteínas -como las HSPs-chaperones y los conformones- ya que,
estas últimas, poseen tanto alguna región desestructurada como un potente
núcleo hidrofóbico (core), que les proporciona estabilidad y capacidad de
modificar a otras proteínas. Esta acción conjunta de los tres tipos de
proteínas puede estar implicada en los principales procesos celulares y etapas
biológicas, desde el origen de la vida, es decir: en la ontogenia, en la
filogenia y en la fisiología celular. A este respecto conviene resaltar que
tanto los priones-conformones como las IUPs son muy resistentes a factores
fisicoquímicos (calor, ácidos, radiaciones UV) característicos de ambientes
extremos, como los que pudieron darse en la etapa prebiótica del origen de la
vida.
Por
otra parte, como ya hemos visto, las IUPs intervienen en muchas funciones de
evidente implicación epigenética: metilaciones, acetilaciones, glicosilaciones,
fosforilaciones, factores de transcripción, regulación de la transcripción y
traducción, histonas, aminoacil-ARNt sintetasas, ensamblaje de grandes
complejos proteicos, ribosoma, citoesqueleto, etc. Los polipéptidos
desestructurados actúan como chaperones y proteínas HSPs (por ejemplo, en el
estrés hidríco), y también forman parte de esta familia de proteínas, lo cual
confirmaría la relación funcional ancestral de las HSPs-chaperones con las IUPS
y priones-conformones; por lo que es probable que las HSPs-chaperones surgieran
como una familia proteica con características funcionales y estructurales
intermedias entre las otras dos.
Así
pues, en un paradigma proteocéntrico, la etapa prebiótica y pregenética podría
caracterizarse por la coevolución de información conformacional -de estos tres
tipos de proteínas, en interacción con las ribozimas, formando RNPs- de la que
surgiría el código genético: primero conformacional y luego secuencial. Este
triunvirato proteico puede constituir el mecanismo general de adaptación al
medio en el nivel supramolecular: las IUPs se moldearían funcionalmente por
unión a nuevos ligandos; las HSPs participarían estabilizando y guardando la
coherencia funcional de las estructuras proteicas resultantes, tanto las
pregenéticas como las genéticas; y los conformones seleccionarían y propagarían
las nuevas conformaciones.
Es
probable que la evolución de las IDPs haya ido de polipéptidos cortos
(pregenéticos) -que formarían asociaciones de miniestructuras cuaternarias- a
polipéptidos más largos (con síntesis genética), con dominios de estructura
variable en el espacio y en el tiempo; y siempre acompañados de conformones y
chaperones. Con el código genético aparece la invariancia secuencial; y, con el
spliceosoma, el baraje y la unión de dominios en polipéptidos más largos, lo
que proporciona un aumento de la heterogeneidad funcional y estructural de las
proteínas desordenadas. Gracias a la interacción de la plasticidad pregenética
con el medio, y los “pespuntes” genéticos, se va haciendo la
variabilidad de la evolución. Las mutaciones -como los virus- son daños o
beneficios colaterales, fruto de la contingencia.
¿Cómo
sería la primera célula? En el análisis genómico comparado, las
bacterias aparecen como las portadoras de los genes del metabolismo, las
arqueas portan genes del procesamiento y transmisión de la información genética
(replicación, transcripción y traducción); mientras que los genes exclusivos de
los eucariotas también están implicados en la factoría del núcleo -spliceosoma
incluido-, en la transducción de señales y en los mecanismos de exocitosis y
endocitosis. Así, en la lógica del paradigma proteocéntrico, la primera célula
tendría una naturaleza esencialmente eucariota; sería básicamente una arquea,
similar a un núcleo, con un metabolismo elemental limitado a la producción de
proteínas en la factoría del núcleo, y una fisiología centrada en el tránsito
de información externa, de la membrana celular al núcleo -rutas de transducción
de señales-, y de respuesta adaptativa interna, del núcleo a la membrana
celular. En el inicio y en el final de ambas rutas informativas debe estar presente
la triada formada por IUPs, HSPs-chaperones y conformones. En este sentido,
parece que tanto los priones-conformones, como las IUPs están principalmente, o
más representadas, en los eucariotas, lo que reforzaría esta hipótesis, sin
recovecos. Además, este flujo de información, entre el primordio de célula
eucariota (a la que denomino protocariota) y el medio externo, iría reforzado
por una continua y contingente producción de vesículas de exocitosis (cargadas,
en principio al azar, de proteínas y ácidos nucleicos) que, sin propósito
alguno, colonizarían el medio exterior, e interiorizarían y seleccionarían
partes de su “metabolismo” mineral abiótico. Muchas de estas vesículas estarían
abocadas a volver, por endocitosis, a las células protocariotas. De esta
manera, se iría haciendo, lentamente y de forma exógena, el metabolismo
energético. Así, en el paradigma proteocéntrico -con este continuo baile de
exocitosis y endocitosis- se formarían tanto los eucariotas como todos los
acariotas (entidades sin núcleo definido): el resto de las arqueas, las
bacterias y los virus (ver post de 2017).
En este sentido, resulta interesante el que las regiones
desestructuradas (características de eucariotas) no tengan actividad enzimática.
Las enzimas específicas pudieron formarse, en la etapa genética, aumentando
paulatinamente la afinidad desde reconocimientos de ajuste inducido a
mecanismos del tipo llave-cerradura. Además, en el interior de las vesículas de
exocitosis, tanto el material genético como las proteínas resultantes -ambos
producidos de forma contingente, y necesaria, por la maquinaria nuclear que ya había
iniciado su andadura genética- pueden seleccionarse, sin problemas de
coherencia funcional, en su encuentro con el premetabolismo mineral exterior.
Algunas de estas vesículas alcanzarían la vida libre como acariotas, y otras
volverían por endocitosis a la célula protocariota, proporcionando, así, los
nutrientes necesarios. En algunos casos, se podrían establecer relaciones de
endosimbiosis, integrando, así, el metabolismo exógeno conquistado. Es muy
probable que se estableciese una línea evolutiva de endosimbiosis que, en vez
de tratarse de un hecho puntual, puede continuar en determinados ambientes.
Así, el inicio del metabolismo energético eucariota sería por integración
funcional, en una línea evolutiva de endosimbiosis sucesivas, desde un
metabolismo acariota exógeno.
Pienso
que este relato enhebra mejor, y de forma directa, una cantidad mayor de datos para
explicar el origen y evolución de las proteínas, que la evolución ondulante de
las IDPs. En este modelo proteocéntrico, iriamos desde la evolución prebiótica
hasta el protocariota (una arquea representativa de LUCA), del que saldrían
tres ramas: una rama central, o tronco principal, que constituiría la
continuidad eucariota (recuerdo que los eucariotas son monofiléticos); otra
rama, que partiría próxima al protocariota, que se escindiría en los dos filos
de las arqueas; y múltiples ramas entrecruzadas propias de los múltiples filos
bacterianos. Además, prácticamente, cada tipo celular coevolucionaría con sus
correspondientes virus específicos.
Heterogeneidad estructural y funcionalidad de IDPs e IDPRs: la función es prioritaria a la estructura
En el
libro de Uversky (9), se destaca la gran heterogeneidad estructural de las IDPs
y sus regiones, sobre la base de sus largas secuencias extendidas, y una
distribución no homogénea de su capacidad de plegamiento. Esta heterogeneidad
abarca elementos estructurales que van desde: potencialmente plegable,
parcialmente plegable, diferentemente plegable y no plegable. Así, diferentes
partes de una molécula presentan diferentes grados de orden; y esta
distribución cambia constantemente en el tiempo: un segmento de la proteína tendrá
diferentes estructuras en diferentes intervalos de tiempo. El resultado es que,
en cualquier determinado momento, una IDP tiene una estructura diferente de la
estructura que tenga en otro momento. Naturalmente, esto parece obedecer a la
capacidad de respuesta funcional, y no a una intermitencia programada. Otro
nivel de heterogeneidad estructural está determinado por el hecho de que muchas
proteínas son híbridas de dominios ordenados y desordenados; y que este
carácter es crucial para sus funciones.
Las proteínas
funcionales despliegan un espectro de estructuras que puede ir desde
completamente ordenadas a proteínas totalmente carentes de estructura, con
prácticamente todas las posibilidades intermedias: bien plegadas y carentes de
cualquier región desordenada; un número limitado de regiones desordenadas;
cantidad notable de regiones desordenadas; semejantes a glóbulo fundido;
comportamiento de glóbulos prefundidos y mayoritariamente desestructuradas. En
esta clasificación no hay límites precisos entre orden y desorden, donde las
más estructuradas presentan algún grado de flexibilidad, y las más desordenadas
siempre tienen algún grado de estructura residual.
Efectivamente,
las IDPs están implicadas en una gran cantidad de procesos vitales merced a su
gran plasticidad conformacional, que les permite regular las funciones de sus
ligandos, y promover el ensamblaje de complejos supramoleculares. Las IDPs
están implicadas en rutas de reconocimiento, señalización, regulación y
control; en las que interaccionan con muchos ligandos de forma específica, pero
con baja afinidad. Así pues, entre otras funciones, actúan como:
· Auténticos
centros de conexión de proteínas en redes proteicas de señalización.
· Proteínas
andamio, interaccionando con varios ligandos a la vez, en la parte central de
algunos complejos y rutas. Proporcionan, así, orientación espacial selectiva y
coordinación temporal entre las proteínas en juego.
· Las
estructuras desordenadas en el control de la transcripción: factores de
transcripción, histonas y proteínas ribosomales; muy importantes en eucariotas.
· Las
estructuras desordenadas en la regulación de algunas rutas celulares: modificaciones
postraducción, señalización, muerte celular programada, entre otras.
· Regulación
funcional mediante IDPs y splicing alternativo.
· Regulación
funcional mediante IDPs y modificaciones postraducción.
· Entre
las últimas incorporaciones a la lista de IDPS está la de los chaperones, con
lo que la terna funcional de proteínas, desde la etapa prebiótica, propuesta
anteriormente: IDPs, conformones y chaperones; se ve apoyada por los hechos.
Las proteínas desordenadas median la interacción entre organismo y ambiente
La
gran plasticidad conformacional de las IDPs se pone de manifiesto cuando
observamos reconocimientos múltiples entre distintas secuencias y un sitio de
unión común; con diferentes plegamientos de las IDPs formando complejos con sus
ligandos, que, así, pueden actuar abrazándolos, envolviéndolos, pinzándolos,
acorchetándolos, penetrándolos, etc. Igualmente, una IDP puede
presentar diferentes conformaciones, más o menos ordenadas, tras su unión con ligandos
de diferente naturaleza. Esta característica se conoce como la unión de uno
para muchos -donde una única región desordenada puede unirse a varios ligandos
estructuralmente diversos. Además. Las IDPs permiten grandes superficies de
interacción -mucho mayores que las proteínas estructuradas- en los complejos
formados con otras proteínas y ligandos, incluidos el ARN y el ADN. La enorme
flexibilidad de las IDPs no sólo permite la interacción entre los ligandos
unidos por ellas, sino que, también, les permite participar en la cascada de
interacciones: la IDP que se une al primer ligando induce un plegamiento parcial
que genera un nuevo sitio de unión para un segundo ligando, etc.
Las
proteínas desestructuradas refutan el paradigma dominante: una secuencia, una
estructura, una función, ya que estas proteínas presentan una heterogeneidad
tanto estructural como funcional; dependiendo la estructura de la funcionalidad.
Estas características de las proteínas desordenadas las hacen muy especiales
como agentes biológicos del nivel supramolecular, que median la comunicación
entre el interior y el exterior de los organismos celulares y pluricelulares,
esto es -sensu lato- la comunicación entre el ser vivo y su medio ambiente.
La enorme
heterogeneidad funcional y estructural de las proteínas intrínsecamente
desordenadas nos permite concebir una nueva dinámica de los organismos frente a
sus ambientes, radicalmente distinta del paradigma del programa genético.
Incluso partiendo de un paradigma proteocéntrico de información conformacional,
las propiedades de estas proteínas permiten que pasemos de las redes de cambios
conformacionales predominantemente intercatenarios (entre proteínas distintas
de una ruta), a cambios intercatenarios pero conectados por una cuerda con
nudos o una superficie envolvente de cambios intracatenarios de las
IDPs. Estas proteínas, flexibles y extendidas, constituyen un auténtico “sistema
nervioso” de la célula: conectan la entrada de información del medio
ambiente al interior del organismo celular, coordinan y regulan las funciones
de la fisiología celular -incluidos los cambios epigenéticos- y la respuesta
celular frente a la información medioambiental.
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