La evolución biológica a nivel molecular

Artículo publicado en febrero de 2010

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2010.02.1


Miguel Ángel de la Rosa
Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis, Centro de Investigaciones Científicas Isla de la Cartuja, Universidad de Sevilla y CSIC
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La lucha por los alimentos, conocido principio de selección natural clave en la evolución de las especies, se aplica igualmente a nivel celular y molecular. Así, la evolución de las proteínas de hierro y cobre ha estado dirigida por la biodisponibilidad relativa de uno y otro elemento, a su vez dependiente de las condiciones físico-químicas cambiantes del planeta desde su formación hasta el momento actual.

 

Uno de los pilares básicos de la evolución biológica, en el sentido clásico de Darwin y Wallace, es la selección natural, mecanismo por el cual las condiciones del medio ambiente favorecen o dificultan la supervivencia y reproducción de los miembros mejor adaptados de una población determinada. Así, la lucha por el alimento en una comunidad de animales, por ejemplo, determina que los individuos más fuertes y agresivos consigan dominar a sus rivales, ya sean de la misma u otra especie, y acaben imponiéndose sobre aquellos otros individuos más débiles o menos capacitados.


Al igual que los animales, las células necesitan nutrirse y conseguir del entorno los elementos químicos necesarios para fabricar sus propias moléculas constituyentes. Las proteínas, por ejemplo, que son las biomoléculas más abundantes, se construyen con los seis elementos biogenésicos primordiales (carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, fósforo y azufre). Estos elementos no suelen escasear, pero sí pueden ser limitantes ciertos elementos metálicos que muchas proteínas necesitan incorporar, en forma de cofactores, para realizar su función. Se estima que hasta un tercio de las proteínas de un ser vivo son metaloproteínas y, entre ellas, las más importantes son las proteínas de hierro.


El hierro, en efecto, puede llegar a ser limitante para los seres vivos, a pesar de ser uno de los elementos más abundantes del planeta. Ello se debe a que la mayor parte del hierro se encuentra oxidado, en estado férrico, que precipita y se hace insoluble, a diferencia del hierro reducido, o ferroso, que es soluble. Esto explica que las bacterias, por ejemplo, fabriquen y secreten al medio agentes quelantes, denominados sideróforos, cuya función es atrapar el metal cuando se encuentra poco disponible. Cuando hay una infección, las bacterias que produzcan los sideróforos más efectivos serán las que dominen y controlen todo el proceso (1, 2). Así pues, el principio de lucha por el "alimento" también se puede aplicar en el mundo vivo a nivel celular y molecular.


Hay que tener en cuenta, sin embargo, que la biodisponibilidad del hierro no siempre ha sido limitante. En un principio, la atmósfera era de carácter reductor, pues carecía de oxígeno, y el hierro se encontraba reducido y soluble. Así pues, los primeros seres vivos usaron el hierro como componente mayoritario de los sitios catalíticos de muchas de sus proteínas esenciales, y aparecieron los grupos hemínicos, los centros sulfoférricos, etc. Con la aparición posterior de organismos capaces de realizar fotosíntesis oxigénica, el oxígeno molecular liberado se fue acumulando en la atmósfera, con la consiguiente oxidación de elementos químicos de la corteza terrestre. La oxidación y precipitación masivas del hierro hizo que éste empezara a escasear y que los seres vivos tuvieran que luchar por capturarlo del entorno.


La disminución de hierro llegó a forzar la situación hasta tal punto que algunas de dichas proteínas fueron reemplazadas por otras, tales como las proteínas de cobre. De hecho, la biodisponibilidad del cobre cambió en sentido inverso a la del hierro, ya que la solubilidad del cobre depende del estado redox en sentido contrario a la del hierro, es decir, su forma oxidada, o cúprica, es soluble y su forma reducida, o cuprosa, precipita. En otras palabras, el cobre, que al principio no estaba disponible, empezó a solubilizarse a medida que la atmósfera se tornó oxidante, y las células aprendieron a fabricar nuevas proteínas de cobre que reemplazaran a las antiguas proteínas de hierro.


Buen ejemplo de ello es la sustitución gradual, forzada por las disponibilidades relativas de hierro y cobre, del citocromo c6 por la plastocianina en la cadena de transporte fotosintética. Las dos proteínas poseen estructuras totalmente diferentes -el citocromo es una proteína hemínica, con cuatro hélices alfa, en tanto que la plastocianina es una proteina de cobre, en forma de barril beta (ver figura)- pero juegan el mismo papel fisiológico: la transferencia de electrones, en el interior del tilacoide, entre dos complejos de membrana, el citocromo b6f y el fotosistema I (3-5).


Hace unos 3.500 millones años, las cianobacterias, que fueron los primeros organismos fotosintéticos en liberar oxígeno molecular, utilizaban citocromo c6 como transportador de electrones, ya que el hierro estaba fácilmente accesible. A medida que la atmósfera se fue haciendo oxidante, la limitación creciente del hierro y la solubilización paulatina del cobre hicieron que el citocromo c6 fuera reemplazado por la plastocianina. De hecho, algunas cianobacterias y algas verdes unicelulares aún conservan la capacidad de producir una u otra proteína según las disponibilidades relativas de los dos metales. Al final de la evolución, las plantas superiores sólo producen plastocianina (4).


La sustitución funcional de una proteína por otra es posible, a pesar de su diferencia estructural, porque ambas poseen el mismo potencial redox y punto isoeléctrico, así como áreas superficiales electrostáticas e hidrófobas equivalentes que les permiten reconocer e interaccionar con los mismos complejos de membrana (5, 6). Se trata, por tanto, de un caso paradigmático de evolución convergente, a nivel molecular, gobernado por las condiciones geoquímicas cambiantes, es decir, por las biodisponibilidades relativas de ciertos elementos metálicos (3, 5).

 

La evolución biológica a nivel molecular

FIGURA. Estructura 3D del citocromo c6 (izquierda) y de la plastocianina (derecha). El uno posee un hierro hemínico con histidina y metionina como ligandos axiales, y la segunda presenta un átomo de cobre coordinado por dos histidinas, una metionina y una cisteína.

 

 

 

REFERENCIAS

1. R.J.P. Williams. Life, the environment and our ecosystem. Journal of Inorganic Biochemistry (2007) 101, 1550-1561.
2. R.R. Crichton. Biological Inorganic Chemistry: An Introduction. Elsevier, Amsterdam, 2008.
3. M. Hervás, J.A. Navarro & M.A. De la Rosa. Electron transfer between membrane complexes and soluble proteins in photosynthesis. Accounts of Chemical Research (2003) 36, 798-805.
4. F.P. Molina-Heredia, J. Wastl, J.A. Navarro, D.S. Bendall, M. Hervás, C. Howe & M.A. De la Rosa. Photosynthesis: A new function for an old cytochrome? Nature (2003) 424, 33-34.
5. A. Díaz-Quintana, M. Hervás, J.A. Navarro & M.A. De la Rosa. Plastocyanin and cytochrome c6: The soluble electron carriers between the cytochrome b6f complex and photosystem I. En: Structure of Photosynthetic Proteins (P. Fromme, ed.), pp. 181-200, Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2008.
6. I. Díaz-Moreno, A. Díaz-Quintana, M.A. De la Rosa & M. Ubbink. Structure of the complex between plastocyanin and cytochrome f from the cyanobacterium Nostoc sp. PCC 7119 as determined by paramagnetic NMR. The Journal of Biological Chemistry (2005) 280, 18908-18915.

 

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Entrevista

Miguel Ángel de la Rosa
Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis, Centro de Investigaciones Científicas Isla de la Cartuja, Universidad de Sevilla y CSIC.
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P.- ¿Cuáles son, desde su punto de vista, las características que definen a un buen investigador?

R.- La característica esencial del investigador es la vocación. Sin ella no es posible el enorme sacrificio personal que requiere la carrera científica para estar en primera línea de batalla. Aparte, por supuesto, es necesario cierta capacidad y formación intelectual. Nunca mejor se aplica la conocida ecuación física "energía = potencia x tiempo". Es decir, una persona puede estar muy bien dotada mentalmente, poseer un elevado coeficiente de inteligencia, pero su rendimiento y producción no alcanzará el nivel de excelencia y reconocimiento internacional sin una dedicación que vaya mucho más allá de la jornada normal de trabajo.

 

P.- ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Mi respuesta va en consonancia con lo respondido a la pregunta anterior. Al joven becario le aconsejaría que elija cuidadosamente el laboratorio en el que iniciarse, que se preocupe de formarse en un grupo de primer nivel, y que se olvide del reloj antes de entrar en el laboratorio. Al mundo de la ciencia hay que llegar con una capacidad de entrega y dedicación absolutas, con el ánimo presto y dispuesto a la aventura, ilusionado por la emoción de descubrir, como decía Severo Ochoa. La clave es hacer de la ciencia forma de vida, del trabajo hobby, y de la investigación profesión.

 

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX?

R.- El siglo XX ha servido de escenario temporal para el desarrollo de la ciencia en dos vertientes bien diferentes, la física en la primera mitad y la biología en la segunda. La teoría de la relatividad, la mecánica cuántica y la energía nuclear sentaron las bases para el rápido desarrollo del mundo moderno en las primeras décadas del siglo. Pero no cabe duda de que fue el descubrimiento de la estructura en doble hélice del DNA, base de la información genética, el que marcó el inicio de la moderna biología molecular allá por los años cincuenta. El desarrollo exponencial del mundo civilizado en los últimos decenios, con avances espectaculares e impredecibles en biomedicina y agricultura, no hubiera sido posible sin la genialidad de Watson y Crick al intuir la conformación helicoidal de la molécula clave de la vida.

 

P.- ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado?

R.- El impacto de la noticia depende en gran medida de la disposición anímica del receptor en el momento en que la recibe, hasta el punto de que noticias de trascendencia relativa pueden llegar a dejar una huella imborrable. Quizá fuera por encontrarme en plena adolescencia, cuando la mente del joven rebulle de preguntas sobre la esencia del hombre y su propia existencia, el primer trasplante de corazón realizado a un ser humano por el sudafricano Christian Barnard me impresionó profundamente. Estaba próximo a terminar el año 1967 y la noticia recorrió todos los teletipos del mundo. La imagen de Louis Washkansky al despertarse de la anestesia, radiante de alegría, declarando que se sentía mucho mejor con "su" nuevo corazón, el corazón de una joven oficinista atropellada junto a su madre por un automóvil, me hizo plantearme miles de dudas sobre la identidad del ser humano y la relación entre el cuerpo y la mente.

 

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- En esencia, la carrera científica en nuestro país está articulada en una serie de etapas muy parecidas a las de otros países. En este sentido, la trayectoria escalonada del futuro investigador se puede decir que está bien diseñada y estructurada. No obstante, hay un factor crítico que dificulta el éxito del sistema en su tramo final, cuando el investigador ya formado busca consolidar su posición, definir su línea de investigación, crear su propio grupo y comenzar su carrera independiente. En nuestro país, el sistema de selección del científico como investigador "senior" peca con frecuencia de falta de objetividad en la valoración de méritos, falta que se agrava en demasía cuando se trata de la selección del profesorado en las Universidades. Todo ello se ve además peligrosamente agravado por la excesiva "funcionarización" del sistema, asegurando una posición de por vida al joven investigador que ha resultado exitoso en el concurso-oposición con independencia de cuál sea su rendimiento posterior.

 

P.- ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R.- Uno de nuestros déficits más importantes, en comparación con otros países, radica en la escasa percepción social de la Ciencia y, por ende, el reducido interés del mundo empresarial y del capital privado por la I+D+i. En España existe poca tradición científica, la sociedad recela de sus científicos y el empresario desconfía de la rentabilidad de sus inversiones en I+D+i. Tenemos, pues, una asignatura pendiente que difícilmente aprobaremos sin una política de futuro decidida. El Gobierno debe tomarse muy en serio la responsabilidad de plantear una estrategia educativa y formativa a largo plazo del conjunto de la sociedad y, muy en particular, de los niños en los colegios. Son muchos y variados los medios a emplear, pero no cabe duda de que uno de los más potentes -y, por desgracia, infrautilizado- es la televisión. Puede que sean necesarias una o dos generaciones, pero la confianza del empresario en la I+D+i vendrá por sí sola una vez que la sociedad "sienta" la ciencia como algo propio y el científico reciba el merecido reconocimiento de sus conciudadanos.

Perfil biográfico

Miguel Ángel de la Rosa
Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis, Centro de Investigaciones Científicas Isla de la Cartuja, Universidad de Sevilla y CSIC
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Miguel Ángel de la Rosa (Pilas, Sevilla, 1955) es Catedrático de la Universidad de Sevilla (Instituto de Bioquímica Vegetal y Fotosíntesis), Director del Centro de Investigaciones Científicas Isla de la Cartuja (centro asociado del CSIC, la Junta de Andalucía y la Universidad de Sevilla), y actual Presidente de la Sociedad Española de Bioquímica y Biología Molecular (SEBBM).
Se licenció (1977) y doctoró (1981) en la Universidad de Sevilla, y desde 1985 compagina su labor docente e investigadora con su participación en comités y representaciones internacionales. Es Presidente del Comité de Nominaciones de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (IUBMB), miembro de la Comisión Nacional integrante del International Council for Science (ICSU), y delegado español en la IUBMB y en la Federación Europea de Sociedades de Bioquímica (FEBS). Ha sido Presidente de la Bioelectrochemical Society (2003-2007). En la actualidad, su trabajo de investigación comprende las siguientes líneas: proteómica funcional y estructural, metaloproteínas, reconocimiento molecular, fotosíntesis y bioenergética. Es autor o co-autor de cuatro libros, dos patentes y más de 140 publicaciones, y ha impartido más de un centenar de conferencias. En 2012 organizará en Sevilla el 22nd IUBMB & 37th FEBS Congress.

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