Evolución

Los mecanismos de la evolución molecular han dejado su huella en la secuencia y estructura de la globinas.

La globina es una proteína de predominio globular (estructura terciaria) que forma parte de la hemoglobina (heteroproteína) siendo la globina la parte proteica. Existen varios tipos de cadenas de globina, que se designan mediante letras griegas (alfa, beta, gamma, etc.).

Cuando Charles Darwin desarrolló su teoría de la evolución, el funcionamiento interno de la célula era en gran parte un misterio. Su visión revolucionaria, de que las poblaciones de organismos evolucionan bajo la selección natural, se basaba principalmente en sus observaciones de plantas y animales que vivían a su alrededor. Los mecanismos internos de la evolución fueron descubiertos más tarde, con los detalles de la información genética, la herencia y la mutación. Hoy en día, tenemos una abundancia de datos para explorar, lo que nos permite ver y comprender la biología molecular subyacente detrás de la evolución.

Árbol de la vida

Desde que los biólogos comenzaron a mirar de cerca los seres vivos, era evidente que todo lo que vivía en la Tierra estaba relacionado. Algunos son parientes: los caballos comparten muchos rasgos con las vacas. Otros son parientes más lejanos: las estrellas de mar son muy diferentes de los elefantes. Al analizar cuidadosamente estas similitudes y diferencias, los biólogos construyeron un árbol de la vida, con organismos similares agrupados muy juntos en ramas individuales y organismos diferentes dispersos en ramas distantes. Hoy en día, el estudio de las secuencias genómicas de estos organismos nos permite hacer este árbol más cuantitativo. Si asumimos que las diferencias en las secuencias genómicas se acumulan a una tasa aproximadamente igual a medida que los organismos evolucionan, podemos usar estos datos para construir un árbol de vida filogenético.

Evolución de las Globinas

Para construir este tipo de árbol, necesitamos tener una proteína que sea esencial en todos los organismos que estamos estudiando, de modo que todos ellos tengan un gen correspondiente en su genoma. El árbol mostrado aquí utiliza la proteína mioglobina, y se limita a los vertebrados. Como puede ver, nuestros parientes más cercanos, los mamíferos, tienen mioglobinas que son bastante similares, pero los reptiles y los peces han tenido más tiempo para divergir y sus mioglobinas tienen más cambios. Los árboles que abarcan una gama más amplia de organismos, desde bacterias a seres humanos, a menudo se construyen utilizando biomoléculas que son aún más esenciales, como la maquinaria central de síntesis de proteínas o metabolismo energético.

Se comparan secuencias de mioglobina de cinco animales diferentes para crear un árbol filogenético. Cada molécula está coloreada para mostrar diferencias de la proteína humana. Aminoácidos que son idénticos son de color rosa, los aminoácidos que son diferentes, pero similares son más claros de color rosa, y los aminoácidos que son completamente diferentes están en blanco. El hemo se muestra en rojo brillante. El árbol fue calculado con el servidor en línea en phylogeny.fr. PDB entradas:

3rgk, estructura cristalina de mioglobina humana mutante K45R

1ymb, mioglobina del corazón de caballo

1mbo, estructura cristalina de mioglobina de esperma de ballena

1lhs, mioglobina de tortuga marina

2nrl, mioglobina de salmón rojo

Comparaciones

Simuladores

Observe que el grupo conincide casi al 100% en todos los modelos.

Simulador de comparación entre mioglobina humana ( 3rgk: rojo) y mioglobina de caballo (1ymb: amarillo) : ...Hacer click aquí

Simulador de comparación entre mioglobina humana (3rgk: rojo) y mioglobina de esperma de ballena (1mbo: amarillo): ...Hacer click aquí

Simulador de comparación entre mioglobina humana (3rgk: rojo) y mioglobina de tortuga de mar (1lhs: amarillo): ...Hacer click aquí

Simulador de comparación entre mioglobina humana (3rgk: rojo) y mioglobina de salmón rojo (2nrl: amarillo): ...Hacer click aquí

Mioglogina de ballena

Las ballenas y los delfines tienen una gran necesidad de mioglobina, para que puedan almacenar oxígeno extra para su uso en sus profundas inmersiones submarinas. Típicamente, tienen unas 30 veces más que en animales que viven en tierra. Un estudio reciente reveló que algunas modificaciones especiales son necesarias para hacer esto posible. Comparando la mioglobina de las ballenas (entrada de PDB 1mbn) con mioglobina de cerdo (entrada de PDB 1pmb), encontramos que hay varias mutaciones que agregan aminoácidos extra cargados positivamente a la superficie. Los animales marinos suelen tener estas cargos adicionales en la superficie de su mioglobina para ayudar a repeler las moléculas vecinas y evitar la agregación cuando la mioglobina está en altas concentraciones.

 

La mioglobina de las ballenas tiene cinco aminoácidos cargados positivamente más que la mioglobina del cerdo. Tres de los cinco se ven en esta vista, se muestra con estrellas. Los aminoácidos cargados positivamente están en azul y los negativamente cargados están en rojo

Oxígeno unido a la Mioglobina

La estructura de la mioglobina (entrada PDB 1mbo, poner en CPK), muestra que el oxígeno se une al átomo de hierro dentro de la proteína. Entonces, ¿cómo entra y sale? La respuesta es que la estructura en el PDB es sólo una instantánea de la proteína, capturado cuando está en una forma cerrada. En realidad, la mioglobina (y todas las demás proteínas) está constantemente en movimiento, realizando pequeños movimientos de flexión y respiración. Así, las aberturas temporales constantemente aparecen y desaparecen, permitiendo que el oxígeno entre y salga.

Mioglobina (rosa) con oxígeno (turquesa) ligado al hemo (rojo).

Aspectos estructurales de la Mioglobina

La estructura atómica de la mioglobina (entrada de PDB 1mbn) reveló muchos de los principios básicos de la estructura y estabilidad de las proteínas. Por ejemplo, la estructura mostró que cuando la cadena proteica se pliega en una estructura globular, los aminoácidos ricos en carbono se protegen en el interior y los aminoácidos cargados se encuentran más a menudo en la superficie, formando ocasionalmente puentes salinos que emparejan dos cargas opuestas (círculos verdes)).

Mutación de las Globinas

La evolución darwiniana depende de la diversidad en una población, de modo que hay individuos con diferentes rasgos, algunos de los cuales podrían ser beneficiosos y serán seleccionados para un entorno particular. Esta diversidad se genera por la mutación del genoma, produciendo proteínas ligeramente alteradas con diferentes características funcionales. Muchos ejemplos de estos tipos de mutaciones, y sus consecuencias, se encuentran en los archivosl PDB. Por ejemplo, la mioglobina en mamíferos acuáticos puede ser empaquetada más densamente que las mioglobinas típicas, lo que le permite almacenar oxígeno extra para sus inmersiones largas, y la mutación de sitio único en la hemoglobina de células falciformes humanas causa la enfermedad, pero también puede proporcionar protección contra la infección por el paludismo.

Mecanismos de la Evolución

Mirando de cerca las secuencias de genes y las estructuras de proteínas, también podemos desentrañar algunos de los mecanismos de la evolución. Por ejemplo, usted puede imaginar que es difícil para una proteína evolucionar, ya que necesita ser continuamente activa para mantener el organismo vivo. Buscando en el genoma, encontramos que este problema a menudo se resuelve a través de la duplicación de genes. Se hace una copia del gen, que es entonces libre de evolucionar sin comprometer el organismo. En las globinas, esto ha ocurrido varias veces en el pasado lejano. Hay un grupo de genes en nuestro genoma que codifican varias variantes de la cadena beta de hemoglobina. Por ejemplo, los genes gamma-2 y epsilon codifican variantes que cambian sutilmente las propiedades de la hemoglobina para las necesidades especializadas de fetos y embriones. Cambios más grandes se observan en otras globinas, evolucionado a partir de otros eventos de duplicación de genes, como la cadena alfa de la hemoglobina, la mioglobina y dos globinas recién descubiertas de función desconocida.

Todas las anteriores proteínas codificadas en el cromosoma 11 del genoma humano revelan que son bastante similares, con pequeñas mutaciones que sintonizan la función de sus tareas en la vida embrionaria, fetal y adulta. Las cuatro globinas en la parte inferior tienen diferentes funciones, como se refleja en sus secuencias muy diferentes. Las entradas PDB 2hhb, 1shr, 1i3d, 1fdh, 1a9w, 3rgk, 1ut0, 1oj6, todas están coloreadas basándose en las diferencias con la cadena beta de la hemoglobina.

Reconstrucción de globinas antiguos

En casos especiales, también podemos mirar atrás en la historia para estudiar la evolución de la vida. Usando el ADN aislado de un hueso de mamut encontrado congelado en Siberia, los investigadores reconstruyeron los genes de las cadenas alfa y beta de la hemoglobina de esta especie extinta y la utilizaron para sintetizar la proteína en las bacterias (PDB entrada 3vrf). La hemoglobina gigantesca es muy similar a la hemoglobina de los elefantes modernos, pero al analizar la proteína mostró que los pequeños cambios hacen que funcione mejor a temperaturas frías. La secuencia también apoyó otros estudios que mostraron que los mamuts están más estrechamente relacionados con los elefantes asiáticos que con los elefantes africanos.

La estructura de la hemoglobina de mamut tiene cuatro cambios de aminoácidos (mostrados en azul) en comparación con los elefantes asiáticos modernos.

Conservación de Secuencias en la Cadena Beta de la Hemoglobina

Los biólogos moleculares a menudo miran la variación evolutiva es términos de "conservación". Las regiones de la proteína con funciones esenciales son muy similares cuando miramos diferentes organismos, mientras que las regiones que desempeñan un papel de soporte fundamental son bastante diferentes. La hemoglobina se muestra aquí (PDB entrada 2hhb), con una cadena beta de color gris por conservación. Como puede ver, las regiones alrededor del grupo hemo también son conservadas pero las regiones exteriores en color blanco no lo son.

 

 

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