La vida consiste en la interpretación de dos tipos de substancias químicas: ADN y proteínas. Muchos consideran que la vida es como una montaña de física y química. No lo niego. Pero considero que la vida es mucho más que eso sin dejar de ser eso. La vida es sobre todo, como señala A. Hodges (1997), información digital escrita en el ADN. En esta macro-molécula maravillosa hay muchas cosas singulares y esenciales. Pero fijémonos de momento tan sólo en una zona cercana al centrómero en el brazo corto del cromosoma 1.
En dicha zona hay una secuencia de ciento veinte nucleótidos, dotados cada uno de una base nitrogenada específica, existiendo como es sabido tan sólo cuatro posibilidades de existencia natural en cuanto a esas bases, esto es, Adenina (A), Guanina (G). Timina (T) y Citosina(C). Cada fragmento o párrafo de ciento veinte letras, separado por un tramo de texto aleatorio, se repite como un estribillo conocido más de cien veces en total. Este pequeño párrafo es, con toda probabilidad, el gen más activo de todo el genoma humano. Sus ciento veinte letras están continuamente transcribiendo información para un corto filamento de ARN.
Este acido ribonucleico específicamente trascrito a partir del mencionado gen específico, se denomina ARN 5S. Este ARN 5S, asociado a un conjunto de proteínas y otros ARN constituyen un ribosoma, un orgánulo situado junto con otros muchos iguales, en el interior de la célula. Dicho de una manera sencilla el ribosoma es una máquina sofisticada que traduce el mensaje genético leyendo la información transcrita en un RNAm o mensajero, formado directamente a partir del ADN, e incorporado aminoácidos mediante RNAt o de transferencia, según la secuencia transcrita por el ADN al RNAm que es leída por el ribosoma que va ensamblando los aminoácidos que formarán la proteína según un orden, secuencia o estructura primaria característica de cada proteína en cuestión.
A su vez, son las proteínas las que permiten que el ADN se replique pues para ello necesita enzimas, catalizadores bioquímicos, todos ellos sin excepción alguna de naturaleza proteica. El inmenso universo de las proteínas, la proteómica como ahora se la llama, presenta una diversidad funcional enorme; de entre las muchas funciones que realizan las proteínas es ser parte constitutiva fundamental de los enzimas. No todas las proteínas son enzimas pero si todos los enzimas son proteínas.
Como ha dicho Samuel Butler, quizá de manera muy simplificada pero acertada en lo sustancial, “una proteína no es más que la forma que tiene un gen de producir otro gen; y un gen no es más que la forma que tiene una proteína de producir otra proteína”
Dicho todo esto se puede justificar la aseveración con la que abro el epígrafe: la vida consiste en la interpretación de dos tipos de substancias químicas: ADN y proteínas.
Las proteómica, por su extensión e importancia, es en sí misma una disciplina fundamental de la fisiología (y de la morfología pues ambas están estrechamente relacionadas en cada estructura vital por pequeña o grande que esta sea). Las proteínas están presentes en todos los procesos decisivos de la vida como podemos observar en la siguiente clasificación básica:
Los alcances y la significación de la proteómica: expresión fenotípica
La clasificación de las proteínas se realiza desde varios puntos de vista, así:
a) Según su composición
- Proteínas simples u Holoproteínas: Las cuales están formadas exclusivamente o predominantemente por aminoácidos.
- Proteínas conjugadas: Poseen un componente de proporción significativa no aminoacídico que recibe el nombre de grupo prostético. Según la naturaleza de este grupo consideramos:
- Glicoproteínas: Se caracterizan por poseer en su estructura azúcares. Se pueden citar como ejemplo: las inmunoglobulinas, algunas proteínas de membrana, el colágeno y otras proteínas de tejidos conectivos (glucosaminoglicanos).
- Lipoproteínas : Proteínas conjugadas con lípidos que se encuentran en las membranas celulares.
- Nucleoproteínas: Se presentan unidas a un ácido nucleico, como en los cromosomas, ribosomas y en los virus.
- Metaloproteínas: Contienen en su molécula uno o más iones metálicos que no constituyen un grupo hem. Por ejemplo algunas enzimas.
- Hemoproteínas o Cromoproteínas: Proteínas que tienen en su estructura un grupo hemo Ejemplo: Hemoglobina, Mioglobina y ciertas enzimas como los citocromos.
b) Según su morfología y solubilidad.
- Proteínas fibrosas: Son insolubles en agua, presentan formas moleculares alargadas, con un número variado de cadenas polipeptídicas que constituyen fibras resistentes, con cierto grado de elasticidad, fragilidad o ductilidad. Funcionan como proteínas estructurales o de soporte. Las más comunes son: Elastina, Colágeno, Queratina, Fibrina, etc.
- Proteínas Globulares: Tienden a ser más solubles en agua, debido a que su superficie es polar. Sin embargo, pueden presentar mayor solubilidad en otros disolventes como soluciones salinas, ácidos o bases diluidas o alcohol. Su estructura es compacta con formas casi esféricas. La mayoría de las proteínas conocidas son globulares, dentro de las que se consideran todas las enzimas, las proteínas del plasma y las presentes en las membranas celulares. A su vez las proteínas globulares se pueden clasificar de acuerdo con su solubilidad:
- Albúminas: Proteínas fácilmente solubles en agua, que coagulan con el calor y precipitan con las soluciones salinas saturadas. Por ejemplo la Lactoalbúmina, albúmina del suero, la ovoalbúmina (presente en la clara del huevo).
- Globulinas: Escasamente solubles en agua pura, pero solubles en soluciones salinas diluidas como cloruro de sodio, entre ellas se encuentran las seroglobulinas (sangre), ovoglobulina, inmunoglobulinas, etc.
- Glutelinas: Solubles en ácidos y bases diluidos, insolubles en solventes neutros. Ejemplo: La Glutenina del trigo.
- Prolaminas: Solubles en alcohol del 70 al 80%, insolubles en agua, alcohol absoluto y otros solventes neutros, como la Zeína del maíz y la Gliadina del trigo.
c) Según su funcionalidad biológica:
- Proteínas estructurales: Forman parte de células y tejidos a los que confieren apoyo estructural. Dentro de estas podemos citar, el colágeno y la elastina presentes en el tejido conectivo de los vertebrados. La queratinas de la piel, pelo y uñas y la espectirna presente en la membrana de los eritrocitos.
- Proteínas de transporte: Como su nombre lo indica, transportan sustancias como el oxígeno en el caso de la hemoglobina y la mioglobina, ácidos grasos en el caso de la albúmina de la sangre, o las que realizan un transporte transmembrana en ambos sentidos.
- Proteínas de defensa: Protegen al organismo contra posibles ataques de agentes extraños, entre las que se consideran los anticuerpos (inmunoglobulinas) de la fracción gamma globulínica de la sangre, las proteínas denominadas interferones cuya función es inhibir la proliferación de virus en células infectadas e inducir resistencia a la infección viral en otras células, el fibrinógeno de la sangre importante en el proceso de coagulación.
- Proteínas hormonales: Se sintetizan en un tipo particular de células pero su acción la ejercen en otro tipo. Ejemplo, la insulina.
- Proteínas como factores de crecimiento: Su función consiste en estimular la velocidad de crecimiento y la división celular. Como ejemplo se puede citar la hormona de crecimiento y el factor de crecimiento derivado de plaquetas.
- Proteínas catalíticas o enzimas: Permiten aumentar la velocidad de las reacciones metabólicas. Dentro de las células son variadas y se encuentran en cantidad considerable para satisfacer adecuadamente sus necesidades. Entre otras se consideran las enzimas proteolíticas cuya función es la degradación de otras proteínas, lipasas, amilasas, fosfatasas, etc.
- Proteínas contráctiles: Son proteínas capaces de modificar su forma, dando la posibilidad a las células o tejidos que estén constituyendo de desplazarse, contraerse, relajerse razón por la cual se encuentran implicadas en los diferentes mecanismos de motilidad. Las proteínas más conocidas de este grupo son la actina y la miosina.
- Proteínas receptoras: Proteínas encargadas de combinarse con una sustancia específica. Si se encuentran en la membrana plasmática, son las encargadas de captar las señales externas o simplemente de inspeccionar el medio. Si encuentran en las membranas de los organelos, permiten su interacción. Sin embargo, no son proteínas exclusivas de membrana ya que algunas se encuentran en el citoplasma. El ejemplo más típico de éstas son los receptores de las hormonas esteroides. Casi todos los neurotransmisores, la mayoría de las hormonas y muchos medicamentos funcionan gracias a la presencia de estas proteínas.
- Proteínas de transferencia de electrones: Son proteínas integrales de membrana, comunes en las mitocondrias y cloroplastos cuya función se basa en el transporte de electrones desde un donador inicial hasta un aceptor final con liberación y aprovechamiento de energía. Como ejemplo se citan a los Citocromos que hacen parte de la cadena respiratoria.
Y esta clasificación de 2005, realizada en la Universidad Nacional de Colombia, es sumamente elemental pero muy clara por lo que aquí la hemos reproducido citando claramente la fuente. No me cansaré mientras me pueda citar fuentes latinoamericanas. Les aconsejo que lean todo el artículo, es de una claridad impresionante.
Dado que las proteínas ponen de manifiesto la vida y caracteres de un individuo, su metabolismo y su conducta, son las responsables de la expresión fenotípica o conjunto de características manifestables o visibles de un individuo
Un mundo de ARN
El ADN representa la información, la replicación, la procreación, el sexo; aquello que se conoce por genotipo. Fenotipo y genotipo son las dos caras imprescindibles y siempre existentes de una misma moneda: el ser vivo, ya sea este protozoario, alga, hongo u hombre. En el clásico pero siempre estimulante argumento de la pre-existencia entre el huevo y la gallina, léase aquí proteínas y ADN, algo podemos adelantar: no pudo haber sido el ADN porque este es un fragmento matemático pasivo, un libro, que no cataliza reacciones químicas. Pero tampoco pudo haber sido la proteína, porque esta es tan sólo pura química y no dispone de una forma conocida capaz de copiarse a si misma. Parece imposible que el ADN inventase las proteínas y viceversa.
Esto podría continuar siendo todavía un terrible dilema si la palabra no hubiese dejado una huella de si misma, muy tenue eso si, en el filamento. De la misma manera que ahora sabemos con toda exactitud que los huevos fueron muy anteriores a las gallinas pues los reptiles, antepasados de todas las aves ponían huevos, también conocemos que según las pruebas que paulatinamente se van acumulando, el ARN fue anterior a las proteínas.
El ARN es la única substancia capaz de poner en relación el mundo del ADN y el de las proteínas. Como se sabe transcribe o copia la información existente en el ADN y la traduce del alfabeto geonómico al proteómico en la traducción ribosómica. El ARN fue el verbo, la palabra que dejo tras de sí cinco pequeñas pistas de su pre-existencia al ADN y las proteínas. A continuación enumeraremos varias e importantes del ARN que fueron descubiertas en la década de los ochenta por Thomas Cech y Sydney Altman y que transformaron nuestra manera de entender el origen de la vida.
Nacidos respectivamente en 1947 y 1939, ganaron el premio Nóbel por el descubrimiento del autoprocesamiento del ARN en 1982. Observaron que el ARN transcrito tiene propiedades autocatalíticas al trabajar con un intrón (descubierto por Sharp, Broker y Chow) del precursor del RNAr 35s del protozoario ciliado Tetrahymena. Comprobaron que podían conseguir la eliminación de dicho intrón sin la presencia de enzimas, ya que el ARN actuaba como éstas (ribozimas).
Hoy en día los ingredientes del ADN se elaboran modificando los ingredientes del ARN y no mediante un método más simple y directo. La base nitrogenada Timina (T) del ADN es complementaria de otra propia tan sólo del ARN y que no aparece en el ADN: me refiero a la base nitrogenada Uracilo (U) propia y exclusiva del ribonucleíco. Por otra parte, el funcionamiento de muchas enzimas de reciente descubrimiento, depende de pequeñas moléculas de ARN. Así mismo, el ADN, a diferencia del ARN y las proteínas puede copiarse a sí mismo sin ayuda; lo hará si se le suministran los ingredientes adecuados y los unirá elaborando un mensaje.
Desde otra perspectiva, observamos que aquellas funciones más primitivas y básicas que se realizan en la célula requieren la presencia de ARN: una enzima ARN-dependiente es la que lleva el mensaje, hecho exclusivamente de ARN, desde el gen de ADN. El ribosoma, una máquina que contiene ARN, traduce el mensaje y también es una pequeña molécula de ARN, el transferente ARNt, el que busca y transporta los aminoácidos para la traducción del mensaje del gen.
Pero sobre todo, y según hemos visto, el ARN –diferenciándose nítidamente en esto del ADN- puede actuar como catalizador, rompiendo y uniendo moléculas incluidos las propias moléculas del mismo ARN (autocatálisis). Pueden fragmentarlas, unir los extremos, fabricar algunos de sus componentes básicos e incluso alongar una cadena del propio ARN. Incluso, yendo aún más allá, puede actuar sobre sí mismo, eliminando un fragmento del texto y empalmando de nuevo los extremos libres (Véase Joyce, G.F., RNA evolution and the origin of life, Nature 338: 217-24, 1989. También conviene leer Unrau, P.J. y Bartel, D.P., RNA-catalysed nucleotide síntesis, Nature, 395: 260-63, 1998)..
Parece probable que aquel que se considera haya podido ser el primero de todos los genes, el llamado “gen ur”, fuese una combinación replicador-catalizador, una palabra que utiliza las substancias químicas existentes en su entorno para replicarse. Es muy posible que estuviese compuesto de ARN. Si tomamos de manera reiterada y al azar moléculas de ARN in vitro, tomando como referencia su capacidad o no de poseer actividad autocatalítica, es posible desarrollar ARN catalíticos, diríamos de la “nada” (¡terrible palabra para muchos!) y así casi, sólo casi, reconstruir el origen de la vida. Y lo más sorprendente de todo es que estos ARN sintéticos acaban frecuentemente presentando un tramo de texto que, como dice Ridley: Reza extraordinariamente igual que parte del texto de un gen de ARN cromosómico como el gen 5S sel cromosoma 1.
Orígenes
En alguna parte de nuestro planeta, poco después de su aparición, hace unos cuatro mil quinientos millones de años, tras diez mil millones de años de existencia del Universo, existía, casi con toda probabilidad un mundo de ARN. Ignoramos el aspecto de este ribo-organismo. Tan sólo podemos suponer como se las arreglaban para vivir químicamente hablando. No sabemos nada sobre lo que hubo antes de ellos pero podemos estar casi seguros de que en un momento dado existieron debido a los indicios de la función del ARN que hoy día permanecen en los organismos vivos (Véase Gold, T., The deep, host biosphere, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 89: 6045-49, 1992. Del mismo autor, An unexplored habitat for life in the universe? , American Scientist 8: 408-11, 1997).
Estos ribo-organismos seguramente tenían un problema fundamental derivado de la inestabilidad del ARN. Si se hubiesen arriesgado a vivir en lugar cálido o hubieran crecido en demasía, habrían sufrido lo que los expertos en genética denominan “catástrofe por error”, un rápido deterioro del mensaje de sus genes.
A fuerza de errores y fracasos, como ocurre en la evolución, uno de esos ribo-organismos se hizo más resistente y surgió, emergió, por gradualismo o puntuacionismo, como se quiera, algo totalmente nuevo: el ADN y un sistema para hacer copias de ARN a partir de él. Incluida una maquinaria denominada primitiva denominada proto-ribosoma.
Dicha máquina tenía que trabajar, simultáneamente, rápida y con mucha precisión ya que debía unir copias genéticas de tres bases o letras a la vez luego tenía que ir a toda marcha pero sin cometer errores. Cada grupo de tres letras (o bases) se etiquetaba con aminoácidos para facilitar el reconocimiento del proto-ribosoma.
Mucho después esas etiquetas se unieron para formar proteínas y la palabra de tres letras se convirtió en un tipo e código para las proteínas: nada menos que nuestro código genético universalmente conocido. Por eso nuestro código genético está formado por tripletes de tres bases (o lo que es lo mismo palabras de tres letras), cada una de las cuales representa específicamente uno de los veinte aminoácidos presentes en todas las proteínas.
Y de este modo surgió una criatura más compleja que almacenaba su “receta” genética en el ADN, fabricaba sus máquinas para elaborar proteínas y utilizaba el ARN para salvar el vacío entre ellos.
¿Y si Adán y otros primeros seres a los que se refieren diferentes tradiciones muy antiguas fuesen una hermosa metáfora de LUCA?
Como señala Matt Ridley, en un principio fue LUCA, el último ancestro común universal. LUCA es el divertido acrónimo de Last Universal Common Ancestor. Se supone que sería parecido a una bacteria que vivía en un medio acuático cálido, fuente termal, estero, laguna cálida o a gran profundidad, en las fisuras de las rocas ígneas donde se alimentaba de azufre, hierro, hidrógeno y carbono.
Ridley en su interesante y discutido libro Genoma (Ridley, M., Genoma. La autobiografía de una especie en veintitrés capítulos, Santillana-Taurus, Madrid, 2000) da una explicación polémica pero atractiva de la aparición de esta forma de vida y afirma:Las palabras de tres letras del código genético son las mismas en todas las criaturas. CGA significa [el aminoácido] arginina y GCG significa [el aminoácido] alanita en los murciélagos, los escarabajos, las hayas y las bacterias. Incluso significan lo mismo en las denominadas erróneamente arqueobacterias, que habitan a temperaturas muy elevadas, en manantiales sulfurosos a miles de metros bajo la superficie del Océano Atlántico o en esas cápsulas microscópicas de carácter tortuoso llamados virus. Donde quiera que vayas por el mundo, sea cual sea el animal, planta, “bicho” [las comillas son nuestras] o masa amorfa que encuentres, si está vivo, utilizará el mismo diccionario y conocerá el mismo código. Toda la vida es una. El código genético, con excepción de algunas diminutas aberraciones locales, principalmente en los protozoos ciliados por razones inexplicadas, es el mismo en todas las criaturas. Todas utilizamos exactamente el mismo lenguaje.
Esto significa - y lo digo con el máximo respeto por aquellos que niegan la posibilidad de la emergencia- que tan sólo hubo un proceso creativo, un único acontecimiento cuando apareció la vida; en suma la vida como tal, es un emergente totalmente distinto de las partes que lo componen. Por supuesto que la vida pudo venir del espacio –cosa que no creo pero no puedo probar tampoco que no fuese así-, también es posible que hubiese habido miles de tipos de vida inicial.
Pero sólo un tipo y reitero, sólo uno, LUCA, sobrevivió en la terrible competencia del caldo originario. La vida es una de manera que su unidad es un hecho empírico. Así, muy recientemente, el “libro del genoma”, el portador de la verdad, nos muestra verdades sencillas como es la unidad básica y conexión de todas las formas vivientes, la primacía del ARN, como era la química de la primerísimo vida en el planeta, el hecho de que grandes criaturas unicelulares fueran probablemente los antepasados de las actuales bacterias y no al revés.
No poseemos un registro fósil de cómo era la vida hace cuatro mil millones de años, es cierto. Pero tenemos ya, descifrado en lo fundamental, ese gran libro de la vida que es el genoma. Si el libro del genoma humano puede aclararnos muchas cosas concernientes a lo que sucedió en el caldo primitivo, ciertamente con mayor probabilidad nos podrá ilustrar de qué otros acontecimientos se han dado a lo largo de cuatro mil millones de años de evolución. El registro de nuestra historia está escrito, como señala Ridley, en una máquina funcional.
Nuestro antepasado más lejano.
De entre las diversas ramificaciones evolutivas producidas a partir de los primeros animales pluricelulares, surgió una fundamental, la de los invertebrados no-artrópodos, grupo su vez muy ramificado también. Una de esas ramas condujo a los artrópodos tanto acuáticos como terrestres. De los primeros, surgieron los primeros vertebrados, acuáticos todos en principio. Muchos de estos continuaron su proceso evolutivo en los mares mientras que otros salieron del agua, al principio sólo parcialmente, originándose los anfibios algunos de los cuales se adaptaron totalmente a la vida terrestre deviniendo en los reptiles.
El avance evolutivo continuó hasta la aparición de los mamíferos primitivos. Por otra parte, tanto anfibios como reptiles y posteriormente las aves que se originaron a partir de estos últimos, evolucionaron y se diversificaron por su cuenta hasta la actualidad. La evolución de los mamíferos, la nuestra, sigue una trayectoria que llega hasta los primates, sigue su recorrido a través de los grandes simios antropoides, hasta llegar a la aparición de una especie no lejana de los chimpancés actuales. Este estadío se alcanzó hace unos seis millones de años.
Seamos más concretos aún: el antropólogo de la Universidad de Poitiers, Paul Brunet, descubrió, junto con su equipo, en el desierto de Djurab, en el norte de Chad, un cráneo singular y bastante completo de un pre-homínido que se ha denominado científicamente Sahelanthropus tehadensis, apodado muy acertadamente Tournai que en el idioma gorán, lengua de la región, significa textualmente “esperanza de vida”. Hace unos dos meses, en Mayo de 2006, en nuestra habitual, rutinaria pero siempre estimulante lectura de Nature, David Reich, de la Facultad de Medicina de la Universidad de Harvard, y su equipo del Instituto Broad de Harvard y del MIT de Massachussets, publicaron un artículo en el que destacaban que según los datos genéticos de los que disponían, la separación entre los homínidos y sus predecesores se habría producido con mayor probabilidad hace menos de cinco millones y cuatrocientos mil años, menos de lo anteriormente previsto. El propio Reich aclara que, según parece, la separación completa ente homínidos y chimpancés no fue ni breve ni radical; tras una primera separación hubo a lo largo de un tiempo hibridaciones entre ambos grupos.
Conclusión
Tras todas estas arriesgadas consideraciones que se irán matizando y ampliando en sucesivos artículos, toca concluir con el reconocimiento de que la evolución “evoluciona” y la flecha de la evolución va de las formas más simples a las más complejas y en ese sentido, sólo en ese sentido apunta hacia una dirección. Así ha sido hasta ahora y no niego que esa flecha pueda quebrarse o cambiar de dirección. No está el presente ni el mañana escrito y el azar, bien entendido, conserva su vigencia en tanto que también es incertidumbre.
En dicha zona hay una secuencia de ciento veinte nucleótidos, dotados cada uno de una base nitrogenada específica, existiendo como es sabido tan sólo cuatro posibilidades de existencia natural en cuanto a esas bases, esto es, Adenina (A), Guanina (G). Timina (T) y Citosina(C). Cada fragmento o párrafo de ciento veinte letras, separado por un tramo de texto aleatorio, se repite como un estribillo conocido más de cien veces en total. Este pequeño párrafo es, con toda probabilidad, el gen más activo de todo el genoma humano. Sus ciento veinte letras están continuamente transcribiendo información para un corto filamento de ARN.
Este acido ribonucleico específicamente trascrito a partir del mencionado gen específico, se denomina ARN 5S. Este ARN 5S, asociado a un conjunto de proteínas y otros ARN constituyen un ribosoma, un orgánulo situado junto con otros muchos iguales, en el interior de la célula. Dicho de una manera sencilla el ribosoma es una máquina sofisticada que traduce el mensaje genético leyendo la información transcrita en un RNAm o mensajero, formado directamente a partir del ADN, e incorporado aminoácidos mediante RNAt o de transferencia, según la secuencia transcrita por el ADN al RNAm que es leída por el ribosoma que va ensamblando los aminoácidos que formarán la proteína según un orden, secuencia o estructura primaria característica de cada proteína en cuestión.
A su vez, son las proteínas las que permiten que el ADN se replique pues para ello necesita enzimas, catalizadores bioquímicos, todos ellos sin excepción alguna de naturaleza proteica. El inmenso universo de las proteínas, la proteómica como ahora se la llama, presenta una diversidad funcional enorme; de entre las muchas funciones que realizan las proteínas es ser parte constitutiva fundamental de los enzimas. No todas las proteínas son enzimas pero si todos los enzimas son proteínas.
Como ha dicho Samuel Butler, quizá de manera muy simplificada pero acertada en lo sustancial, “una proteína no es más que la forma que tiene un gen de producir otro gen; y un gen no es más que la forma que tiene una proteína de producir otra proteína”
Dicho todo esto se puede justificar la aseveración con la que abro el epígrafe: la vida consiste en la interpretación de dos tipos de substancias químicas: ADN y proteínas.
Las proteómica, por su extensión e importancia, es en sí misma una disciplina fundamental de la fisiología (y de la morfología pues ambas están estrechamente relacionadas en cada estructura vital por pequeña o grande que esta sea). Las proteínas están presentes en todos los procesos decisivos de la vida como podemos observar en la siguiente clasificación básica:
Los alcances y la significación de la proteómica: expresión fenotípica
La clasificación de las proteínas se realiza desde varios puntos de vista, así:
a) Según su composición
- Proteínas simples u Holoproteínas: Las cuales están formadas exclusivamente o predominantemente por aminoácidos.
- Proteínas conjugadas: Poseen un componente de proporción significativa no aminoacídico que recibe el nombre de grupo prostético. Según la naturaleza de este grupo consideramos:
- Glicoproteínas: Se caracterizan por poseer en su estructura azúcares. Se pueden citar como ejemplo: las inmunoglobulinas, algunas proteínas de membrana, el colágeno y otras proteínas de tejidos conectivos (glucosaminoglicanos).
- Lipoproteínas : Proteínas conjugadas con lípidos que se encuentran en las membranas celulares.
- Nucleoproteínas: Se presentan unidas a un ácido nucleico, como en los cromosomas, ribosomas y en los virus.
- Metaloproteínas: Contienen en su molécula uno o más iones metálicos que no constituyen un grupo hem. Por ejemplo algunas enzimas.
- Hemoproteínas o Cromoproteínas: Proteínas que tienen en su estructura un grupo hemo Ejemplo: Hemoglobina, Mioglobina y ciertas enzimas como los citocromos.
b) Según su morfología y solubilidad.
- Proteínas fibrosas: Son insolubles en agua, presentan formas moleculares alargadas, con un número variado de cadenas polipeptídicas que constituyen fibras resistentes, con cierto grado de elasticidad, fragilidad o ductilidad. Funcionan como proteínas estructurales o de soporte. Las más comunes son: Elastina, Colágeno, Queratina, Fibrina, etc.
- Proteínas Globulares: Tienden a ser más solubles en agua, debido a que su superficie es polar. Sin embargo, pueden presentar mayor solubilidad en otros disolventes como soluciones salinas, ácidos o bases diluidas o alcohol. Su estructura es compacta con formas casi esféricas. La mayoría de las proteínas conocidas son globulares, dentro de las que se consideran todas las enzimas, las proteínas del plasma y las presentes en las membranas celulares. A su vez las proteínas globulares se pueden clasificar de acuerdo con su solubilidad:
- Albúminas: Proteínas fácilmente solubles en agua, que coagulan con el calor y precipitan con las soluciones salinas saturadas. Por ejemplo la Lactoalbúmina, albúmina del suero, la ovoalbúmina (presente en la clara del huevo).
- Globulinas: Escasamente solubles en agua pura, pero solubles en soluciones salinas diluidas como cloruro de sodio, entre ellas se encuentran las seroglobulinas (sangre), ovoglobulina, inmunoglobulinas, etc.
- Glutelinas: Solubles en ácidos y bases diluidos, insolubles en solventes neutros. Ejemplo: La Glutenina del trigo.
- Prolaminas: Solubles en alcohol del 70 al 80%, insolubles en agua, alcohol absoluto y otros solventes neutros, como la Zeína del maíz y la Gliadina del trigo.
c) Según su funcionalidad biológica:
- Proteínas estructurales: Forman parte de células y tejidos a los que confieren apoyo estructural. Dentro de estas podemos citar, el colágeno y la elastina presentes en el tejido conectivo de los vertebrados. La queratinas de la piel, pelo y uñas y la espectirna presente en la membrana de los eritrocitos.
- Proteínas de transporte: Como su nombre lo indica, transportan sustancias como el oxígeno en el caso de la hemoglobina y la mioglobina, ácidos grasos en el caso de la albúmina de la sangre, o las que realizan un transporte transmembrana en ambos sentidos.
- Proteínas de defensa: Protegen al organismo contra posibles ataques de agentes extraños, entre las que se consideran los anticuerpos (inmunoglobulinas) de la fracción gamma globulínica de la sangre, las proteínas denominadas interferones cuya función es inhibir la proliferación de virus en células infectadas e inducir resistencia a la infección viral en otras células, el fibrinógeno de la sangre importante en el proceso de coagulación.
- Proteínas hormonales: Se sintetizan en un tipo particular de células pero su acción la ejercen en otro tipo. Ejemplo, la insulina.
- Proteínas como factores de crecimiento: Su función consiste en estimular la velocidad de crecimiento y la división celular. Como ejemplo se puede citar la hormona de crecimiento y el factor de crecimiento derivado de plaquetas.
- Proteínas catalíticas o enzimas: Permiten aumentar la velocidad de las reacciones metabólicas. Dentro de las células son variadas y se encuentran en cantidad considerable para satisfacer adecuadamente sus necesidades. Entre otras se consideran las enzimas proteolíticas cuya función es la degradación de otras proteínas, lipasas, amilasas, fosfatasas, etc.
- Proteínas contráctiles: Son proteínas capaces de modificar su forma, dando la posibilidad a las células o tejidos que estén constituyendo de desplazarse, contraerse, relajerse razón por la cual se encuentran implicadas en los diferentes mecanismos de motilidad. Las proteínas más conocidas de este grupo son la actina y la miosina.
- Proteínas receptoras: Proteínas encargadas de combinarse con una sustancia específica. Si se encuentran en la membrana plasmática, son las encargadas de captar las señales externas o simplemente de inspeccionar el medio. Si encuentran en las membranas de los organelos, permiten su interacción. Sin embargo, no son proteínas exclusivas de membrana ya que algunas se encuentran en el citoplasma. El ejemplo más típico de éstas son los receptores de las hormonas esteroides. Casi todos los neurotransmisores, la mayoría de las hormonas y muchos medicamentos funcionan gracias a la presencia de estas proteínas.
- Proteínas de transferencia de electrones: Son proteínas integrales de membrana, comunes en las mitocondrias y cloroplastos cuya función se basa en el transporte de electrones desde un donador inicial hasta un aceptor final con liberación y aprovechamiento de energía. Como ejemplo se citan a los Citocromos que hacen parte de la cadena respiratoria.
Y esta clasificación de 2005, realizada en la Universidad Nacional de Colombia, es sumamente elemental pero muy clara por lo que aquí la hemos reproducido citando claramente la fuente. No me cansaré mientras me pueda citar fuentes latinoamericanas. Les aconsejo que lean todo el artículo, es de una claridad impresionante.
Dado que las proteínas ponen de manifiesto la vida y caracteres de un individuo, su metabolismo y su conducta, son las responsables de la expresión fenotípica o conjunto de características manifestables o visibles de un individuo
Un mundo de ARN
El ADN representa la información, la replicación, la procreación, el sexo; aquello que se conoce por genotipo. Fenotipo y genotipo son las dos caras imprescindibles y siempre existentes de una misma moneda: el ser vivo, ya sea este protozoario, alga, hongo u hombre. En el clásico pero siempre estimulante argumento de la pre-existencia entre el huevo y la gallina, léase aquí proteínas y ADN, algo podemos adelantar: no pudo haber sido el ADN porque este es un fragmento matemático pasivo, un libro, que no cataliza reacciones químicas. Pero tampoco pudo haber sido la proteína, porque esta es tan sólo pura química y no dispone de una forma conocida capaz de copiarse a si misma. Parece imposible que el ADN inventase las proteínas y viceversa.
Esto podría continuar siendo todavía un terrible dilema si la palabra no hubiese dejado una huella de si misma, muy tenue eso si, en el filamento. De la misma manera que ahora sabemos con toda exactitud que los huevos fueron muy anteriores a las gallinas pues los reptiles, antepasados de todas las aves ponían huevos, también conocemos que según las pruebas que paulatinamente se van acumulando, el ARN fue anterior a las proteínas.
El ARN es la única substancia capaz de poner en relación el mundo del ADN y el de las proteínas. Como se sabe transcribe o copia la información existente en el ADN y la traduce del alfabeto geonómico al proteómico en la traducción ribosómica. El ARN fue el verbo, la palabra que dejo tras de sí cinco pequeñas pistas de su pre-existencia al ADN y las proteínas. A continuación enumeraremos varias e importantes del ARN que fueron descubiertas en la década de los ochenta por Thomas Cech y Sydney Altman y que transformaron nuestra manera de entender el origen de la vida.
Nacidos respectivamente en 1947 y 1939, ganaron el premio Nóbel por el descubrimiento del autoprocesamiento del ARN en 1982. Observaron que el ARN transcrito tiene propiedades autocatalíticas al trabajar con un intrón (descubierto por Sharp, Broker y Chow) del precursor del RNAr 35s del protozoario ciliado Tetrahymena. Comprobaron que podían conseguir la eliminación de dicho intrón sin la presencia de enzimas, ya que el ARN actuaba como éstas (ribozimas).
Hoy en día los ingredientes del ADN se elaboran modificando los ingredientes del ARN y no mediante un método más simple y directo. La base nitrogenada Timina (T) del ADN es complementaria de otra propia tan sólo del ARN y que no aparece en el ADN: me refiero a la base nitrogenada Uracilo (U) propia y exclusiva del ribonucleíco. Por otra parte, el funcionamiento de muchas enzimas de reciente descubrimiento, depende de pequeñas moléculas de ARN. Así mismo, el ADN, a diferencia del ARN y las proteínas puede copiarse a sí mismo sin ayuda; lo hará si se le suministran los ingredientes adecuados y los unirá elaborando un mensaje.
Desde otra perspectiva, observamos que aquellas funciones más primitivas y básicas que se realizan en la célula requieren la presencia de ARN: una enzima ARN-dependiente es la que lleva el mensaje, hecho exclusivamente de ARN, desde el gen de ADN. El ribosoma, una máquina que contiene ARN, traduce el mensaje y también es una pequeña molécula de ARN, el transferente ARNt, el que busca y transporta los aminoácidos para la traducción del mensaje del gen.
Pero sobre todo, y según hemos visto, el ARN –diferenciándose nítidamente en esto del ADN- puede actuar como catalizador, rompiendo y uniendo moléculas incluidos las propias moléculas del mismo ARN (autocatálisis). Pueden fragmentarlas, unir los extremos, fabricar algunos de sus componentes básicos e incluso alongar una cadena del propio ARN. Incluso, yendo aún más allá, puede actuar sobre sí mismo, eliminando un fragmento del texto y empalmando de nuevo los extremos libres (Véase Joyce, G.F., RNA evolution and the origin of life, Nature 338: 217-24, 1989. También conviene leer Unrau, P.J. y Bartel, D.P., RNA-catalysed nucleotide síntesis, Nature, 395: 260-63, 1998)..
Parece probable que aquel que se considera haya podido ser el primero de todos los genes, el llamado “gen ur”, fuese una combinación replicador-catalizador, una palabra que utiliza las substancias químicas existentes en su entorno para replicarse. Es muy posible que estuviese compuesto de ARN. Si tomamos de manera reiterada y al azar moléculas de ARN in vitro, tomando como referencia su capacidad o no de poseer actividad autocatalítica, es posible desarrollar ARN catalíticos, diríamos de la “nada” (¡terrible palabra para muchos!) y así casi, sólo casi, reconstruir el origen de la vida. Y lo más sorprendente de todo es que estos ARN sintéticos acaban frecuentemente presentando un tramo de texto que, como dice Ridley: Reza extraordinariamente igual que parte del texto de un gen de ARN cromosómico como el gen 5S sel cromosoma 1.
Orígenes
En alguna parte de nuestro planeta, poco después de su aparición, hace unos cuatro mil quinientos millones de años, tras diez mil millones de años de existencia del Universo, existía, casi con toda probabilidad un mundo de ARN. Ignoramos el aspecto de este ribo-organismo. Tan sólo podemos suponer como se las arreglaban para vivir químicamente hablando. No sabemos nada sobre lo que hubo antes de ellos pero podemos estar casi seguros de que en un momento dado existieron debido a los indicios de la función del ARN que hoy día permanecen en los organismos vivos (Véase Gold, T., The deep, host biosphere, Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 89: 6045-49, 1992. Del mismo autor, An unexplored habitat for life in the universe? , American Scientist 8: 408-11, 1997).
Estos ribo-organismos seguramente tenían un problema fundamental derivado de la inestabilidad del ARN. Si se hubiesen arriesgado a vivir en lugar cálido o hubieran crecido en demasía, habrían sufrido lo que los expertos en genética denominan “catástrofe por error”, un rápido deterioro del mensaje de sus genes.
A fuerza de errores y fracasos, como ocurre en la evolución, uno de esos ribo-organismos se hizo más resistente y surgió, emergió, por gradualismo o puntuacionismo, como se quiera, algo totalmente nuevo: el ADN y un sistema para hacer copias de ARN a partir de él. Incluida una maquinaria denominada primitiva denominada proto-ribosoma.
Dicha máquina tenía que trabajar, simultáneamente, rápida y con mucha precisión ya que debía unir copias genéticas de tres bases o letras a la vez luego tenía que ir a toda marcha pero sin cometer errores. Cada grupo de tres letras (o bases) se etiquetaba con aminoácidos para facilitar el reconocimiento del proto-ribosoma.
Mucho después esas etiquetas se unieron para formar proteínas y la palabra de tres letras se convirtió en un tipo e código para las proteínas: nada menos que nuestro código genético universalmente conocido. Por eso nuestro código genético está formado por tripletes de tres bases (o lo que es lo mismo palabras de tres letras), cada una de las cuales representa específicamente uno de los veinte aminoácidos presentes en todas las proteínas.
Y de este modo surgió una criatura más compleja que almacenaba su “receta” genética en el ADN, fabricaba sus máquinas para elaborar proteínas y utilizaba el ARN para salvar el vacío entre ellos.
¿Y si Adán y otros primeros seres a los que se refieren diferentes tradiciones muy antiguas fuesen una hermosa metáfora de LUCA?
Como señala Matt Ridley, en un principio fue LUCA, el último ancestro común universal. LUCA es el divertido acrónimo de Last Universal Common Ancestor. Se supone que sería parecido a una bacteria que vivía en un medio acuático cálido, fuente termal, estero, laguna cálida o a gran profundidad, en las fisuras de las rocas ígneas donde se alimentaba de azufre, hierro, hidrógeno y carbono.
Ridley en su interesante y discutido libro Genoma (Ridley, M., Genoma. La autobiografía de una especie en veintitrés capítulos, Santillana-Taurus, Madrid, 2000) da una explicación polémica pero atractiva de la aparición de esta forma de vida y afirma:Las palabras de tres letras del código genético son las mismas en todas las criaturas. CGA significa [el aminoácido] arginina y GCG significa [el aminoácido] alanita en los murciélagos, los escarabajos, las hayas y las bacterias. Incluso significan lo mismo en las denominadas erróneamente arqueobacterias, que habitan a temperaturas muy elevadas, en manantiales sulfurosos a miles de metros bajo la superficie del Océano Atlántico o en esas cápsulas microscópicas de carácter tortuoso llamados virus. Donde quiera que vayas por el mundo, sea cual sea el animal, planta, “bicho” [las comillas son nuestras] o masa amorfa que encuentres, si está vivo, utilizará el mismo diccionario y conocerá el mismo código. Toda la vida es una. El código genético, con excepción de algunas diminutas aberraciones locales, principalmente en los protozoos ciliados por razones inexplicadas, es el mismo en todas las criaturas. Todas utilizamos exactamente el mismo lenguaje.
Esto significa - y lo digo con el máximo respeto por aquellos que niegan la posibilidad de la emergencia- que tan sólo hubo un proceso creativo, un único acontecimiento cuando apareció la vida; en suma la vida como tal, es un emergente totalmente distinto de las partes que lo componen. Por supuesto que la vida pudo venir del espacio –cosa que no creo pero no puedo probar tampoco que no fuese así-, también es posible que hubiese habido miles de tipos de vida inicial.
Pero sólo un tipo y reitero, sólo uno, LUCA, sobrevivió en la terrible competencia del caldo originario. La vida es una de manera que su unidad es un hecho empírico. Así, muy recientemente, el “libro del genoma”, el portador de la verdad, nos muestra verdades sencillas como es la unidad básica y conexión de todas las formas vivientes, la primacía del ARN, como era la química de la primerísimo vida en el planeta, el hecho de que grandes criaturas unicelulares fueran probablemente los antepasados de las actuales bacterias y no al revés.
No poseemos un registro fósil de cómo era la vida hace cuatro mil millones de años, es cierto. Pero tenemos ya, descifrado en lo fundamental, ese gran libro de la vida que es el genoma. Si el libro del genoma humano puede aclararnos muchas cosas concernientes a lo que sucedió en el caldo primitivo, ciertamente con mayor probabilidad nos podrá ilustrar de qué otros acontecimientos se han dado a lo largo de cuatro mil millones de años de evolución. El registro de nuestra historia está escrito, como señala Ridley, en una máquina funcional.
Nuestro antepasado más lejano.
De entre las diversas ramificaciones evolutivas producidas a partir de los primeros animales pluricelulares, surgió una fundamental, la de los invertebrados no-artrópodos, grupo su vez muy ramificado también. Una de esas ramas condujo a los artrópodos tanto acuáticos como terrestres. De los primeros, surgieron los primeros vertebrados, acuáticos todos en principio. Muchos de estos continuaron su proceso evolutivo en los mares mientras que otros salieron del agua, al principio sólo parcialmente, originándose los anfibios algunos de los cuales se adaptaron totalmente a la vida terrestre deviniendo en los reptiles.
El avance evolutivo continuó hasta la aparición de los mamíferos primitivos. Por otra parte, tanto anfibios como reptiles y posteriormente las aves que se originaron a partir de estos últimos, evolucionaron y se diversificaron por su cuenta hasta la actualidad. La evolución de los mamíferos, la nuestra, sigue una trayectoria que llega hasta los primates, sigue su recorrido a través de los grandes simios antropoides, hasta llegar a la aparición de una especie no lejana de los chimpancés actuales. Este estadío se alcanzó hace unos seis millones de años.
Seamos más concretos aún: el antropólogo de la Universidad de Poitiers, Paul Brunet, descubrió, junto con su equipo, en el desierto de Djurab, en el norte de Chad, un cráneo singular y bastante completo de un pre-homínido que se ha denominado científicamente Sahelanthropus tehadensis, apodado muy acertadamente Tournai que en el idioma gorán, lengua de la región, significa textualmente “esperanza de vida”. Hace unos dos meses, en Mayo de 2006, en nuestra habitual, rutinaria pero siempre estimulante lectura de Nature, David Reich, de la Facultad de Medicina de la Universidad de Harvard, y su equipo del Instituto Broad de Harvard y del MIT de Massachussets, publicaron un artículo en el que destacaban que según los datos genéticos de los que disponían, la separación entre los homínidos y sus predecesores se habría producido con mayor probabilidad hace menos de cinco millones y cuatrocientos mil años, menos de lo anteriormente previsto. El propio Reich aclara que, según parece, la separación completa ente homínidos y chimpancés no fue ni breve ni radical; tras una primera separación hubo a lo largo de un tiempo hibridaciones entre ambos grupos.
Conclusión
Tras todas estas arriesgadas consideraciones que se irán matizando y ampliando en sucesivos artículos, toca concluir con el reconocimiento de que la evolución “evoluciona” y la flecha de la evolución va de las formas más simples a las más complejas y en ese sentido, sólo en ese sentido apunta hacia una dirección. Así ha sido hasta ahora y no niego que esa flecha pueda quebrarse o cambiar de dirección. No está el presente ni el mañana escrito y el azar, bien entendido, conserva su vigencia en tanto que también es incertidumbre.