INVESTIGACIÓNY CIENCIA, abril, 2005 35 proteobacterias. En el mejor de los
casos, la reconstrucción filogenética de la evolución de estas familias de genes evidenciaría un origen común de las secuencias de eucariotas y alfa- proteobacterias, lo que nos permitiría reconocerlas como los parientes más próximos dentro del conjunto de se- cuencias estudiadas.
Merced a la reconstrucción de más de 25.000 filogenias, identificamos 630 familias de genes que debieron de llegar a la célula a bordo del ge- noma protomitocondrial. Un análisis exhaustivo de las funciones codifica- das por estos genes permite recrear el metabolismo protomitocondrial, una suerte de retrato robot de un organismo que vivió hace más de 1500 millones de años.
¿Qué obtuvimos? Un metabolis- mo bastante más diversificado que el de las mitocondrias actuales, se-
gún cabía esperar de un organismo que acababa de abandonar su estilo de vida libre. La protomitocondria tuvo, al parecer, un metabolismo aerobio y oxidativo, dependiente de la célula hospedadora a juzgar por la gran cantidad de metabolitos que podía transportar a través de su membrana.
En el metabolismo protomitocon- drial no faltan las principales vías metabólicas relacionadas con la ob- tención de energía, tan características de las mitocondrias. En especial, la cadena de transporte de electrones, que acopla la oxidación de diversos sustratos al bombeo de protones a través de la membrana, creando un gradiente que, al deshacerse, se aco- pla, a su vez, a la síntesis de ATP. El sistema que exporta este ATP al citoplasma, así como el complicado mecanismo de transporte de proteí-
nas mencionado, brillan por su au- sencia.
La adquisición de estos nuevos sis- temas, que desempeñaron una función esencial en la transición de simbionte a orgánulo, junto con la incorpora- ción de nuevas proteínas a complejos moleculares y rutas ya existentes, dan idea del alto grado de complejidad al- canzado por la mitocondria. De hecho sólo un 15 % de las proteínas que se alojan en la mitocondria tienen un origen protomitocondrial; el resto son nuevas incorporaciones.
Pero lo más sorprendente ha sido el hallazgo del probable origen pro- tomitocondrial de rutas metabólicas que no son mitocondriales en la actualidad. Tal es el caso de partes de la síntesis de ácidos grasos, del metabolismo de aminoácidos o del de ácidos nucleicos. Este hecho podría afectar a las dos terceras partes de
PIRIDOXAL H+ H+ H+ ADP ATP NADH SUCCINATO FUMARATO I II III IV V 2+ TRANSPORTE DE IONES (4 ) TRA N S P O RTE DE METAB O LIT OS (4 ) ACIL-CoA METABOLISMO DE LIPIDOS (32) CDP-DIACILGLICEROL TRANSPORTE DE AMINOACIDOS (3 ) K+ Fe2+ S TRANSCRIPCION (8) METABOLISMO ENERGETICO (70) Fe S FOSFORILACION OXIDATIVA (24) β-OXIDACION (6) TRADUCCION (43) REPLICACION, RECOMBINACION, REPARACION DEL ADN (16) FOSFATIDILSERINA GLICERONA GLICERONA-P CARDIOLIPINA GLICEROL-3P DIACILGLICEROL-3P 1-ACIL-SN-GLICEROL-3P HEXANOIL-CoA BUTANOIL-COA TRANSPORTADOR LIPIDICO PERMEASA N�+� PANTOTENATO TRANSPORTADOR DE GLICEROL METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS (18) D-RIBOSA-� P D-RIBOSA-1P
D-SORBITOL D-FRUCTOSA MANITOL
α-D-GLUCOSA α-D-GLUCOSA-6P α-D-GLUCOSA-1P D-FRUCTOSA-2,6-P D-MANOSA-6P β-D-FRUCTOSA-6P β-D-FRUCTOSA-1,6P D-MANITOL-1P PIRIDOXAL
SINTESIS DEL GRUPO HEMO (6)
METABOLISMO SECUNDARIO� COEN�IMAS (2 � ) PIRIDOXAMINA PIRIDOXINA 4-PIRIDOXATO PIMELOIL-CoA 8-AMINO-7-OXONONANOATO 7, 8-DIAMINONONANOATO Fe�S ENSAMBLA�E (� ) H+ TRANSPORTADOR DE CATIONES METABOLISMO DE NUCLEOTIDOS (22) GDP � GDP �G MP N-CARBAMOIL-L-ASPARTATO DIHIDROOROTATO OROTATO ADENIL-SUCCINATO ADENINA AMP TCA (4) PIRUVATO LACTATO ACETIL-CoA ACETATO SUCCINATOSEMIALDEHIDO TRANSPORTADOR DE PEPTIDOS TRANSPORTADOR DE AMINOACIDOS TRANSPORTADOR Na+/PROLINA METABOLISMO DE AMINOACIDOS (58) 2-HIDROXIMETIL-THPPGA 2-ACETOLACTATO L-GLUTAMATO 4-AMINOBUTANOATO GLUTAMINA AGMANITA PUTRESCINA 2-ISOPROPILMALATO 3-ISOPROPILMALATO Fe / Pb2+ 2+ Mg / Co2+ 2+ H+ R SINTESIS DE LIPIDOS (8) VITAMINA B6. SINTESIS DE BIOTINA
Representación esquemática del metabolismo protomitocon- drial: los cuadros amarillos indican procesos metabólicos con el número de genes indicados entre paréntesis. Cuadros y flechas azules indican rutas o pasos que son mitocondriales
en la actualidad, los rojos tienen una ubicación distinta; en el caso de negros o blancos se carece de información sobre su localización subcelular. (Adaptado de Science, vol. 301, pág. 609; 2003.)
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N
uestros antepasados prehistóricos no necesitaron aparatos para detectar los efectos de las interac- ciones electromagnéticas, como las llamamos hoy. La luz es lo visible por antonomasia, y los demás fenó- menos electromagnéticos —la elec- tricidad estática, los relámpagos, las propiedades magnéticas de algunas rocas, como la magnetita— eran bien conocidos en la antigüedad.Pero se necesita un poco de técnica moderna para descubrir siquiera sea la existencia de las interacciones débiles, no digamos ya para entenderlas. Su- pimos por primera vez de las interac- ciones débiles con el descubrimiento de la radiactividad en 1896. Algunos núcleos radiactivos se desintegran emitiendo “partículas β”, que ahora sabemos son electrones de energía ele- vada. Esta desintegración nuclear β es la ventana más accesible a las inte- racciones débiles; hasta mediados del siglo pasado, hasta que no aparecieron los detectores de rayos cósmicos, los reactores nucleares y los aceleradores de partículas, no hubo otra.
Antiguamente, la electricidad, el magnetismo y la luz parecían ir cada uno por su parte. El conocimiento unificado que de ellos se forjó en el sigloXIX llevó a describirlos en
conjunto como fenómenos “electro- magnéticos”.
El electromagnetismo se nos mues- tra mucho más abiertamente que las interacciones débiles. Pero éstas y aquél mantienen un perfecto parale- lismo, según nuestros conocimientos actuales, sistematizados en el “mode- lo estándar” de la física de partículas. Así, el electromagnetismo obedece a las ecuaciones de Maxwell y las
interacciones débiles, a un grupo de ecuaciones bastante semejante, aunque no lineal (las ecuaciones de Yang-Mills). Y si una partícula ele- mental, el fotón, es la unidad cuántica básica del electromagnetismo, otras similares, los bosones W y Z, lo son de las interacciones débiles. A cau- sa de esta estrecha relación entre el electromagnetismo y las interaccio- nes débiles, los físicos de partículas se refieren hoy a ambos grupos de fenómenos con la denominación de “interacciones electrodébiles”.
Si las interacciones débiles se parecen al electromagnetismo, ¿por qué resultan tan distintas en la vida diaria? Según el modelo estándar, la clave es la “rotura de la simetría”. Incluso si las leyes de la naturaleza tienen una simetría —en este caso la simetría entre el electromagnetismo y las interacciones débiles, o entre el fotón y los bosones W y Z—, las soluciones de las ecuaciones pueden carecer de ella.
Por ejemplo, es igual de probable que en un líquido un átomo se mueva por una dirección del espacio u otra; no hay unos ejes coordenados pre- feridos. Pero si enfriamos el líquido hasta que se congele, se formará un cristal, que tiene ejes característicos. Todos las direcciones del espacio son igualmente posibles como ejes del cristal, pero cuando el líquido se hiela, siempre emergen ciertos ejes preferentes. La simetría entre las distintas direcciones del espacio se ha perdido, o se ha “roto espontá- neamente”.
Según el modelo estándar, jus- to después de la “gran explosión” ocurrió algo semejante. A las altas
temperaturas que existían entonces, había perfecta simetría entre el fotón y los bosones W y Z; el electromagne- tismo y las interacciones débiles nos habrían parecido igual de manifiestos. Pero a medida que el universo se enfrió, sufrió una transición de fase, análoga a la congelación de un líqui- do, en la que la simetría se “rompió espontáneamente”. Como los bosones W y Z adquirieron entonces masa, las interacciones débiles se restringieron a las distancias nucleares: sus efec- tos no podrían ya percibirse a simple vista. El fotón permaneció sin masa, de ahí que los efectos del electromag- netismo se propaguen a distancias características de la escala humana (y mucho mayores) y se manifiesten de inmediato en la vida diaria.
La experiencia ha ratificado la mayoría de los aspectos del modelo estándar. El momento magnético del electrón se mide hasta la decimose- gunda cifra significativa, con resulta- dos que concuerdan muy bien con la teoría. Muchas de las propiedades de los bosones W y Z que predice se han comprobado hasta el tercer o cuarto dígito. Muy recientemente, se ha ve- rificado en laboratorios de California y Japón el mecanismo por el cual el modelo estándar viola la simetría entre materia y antimateria.
La faceta del modelo estándar que aún no hemos sido capaces de con- trastar experimentalmente es quizá la más fundamental: ¿cómo se rompe la simetría? Sin embargo, tenemos una idea bastante clara acerca de dónde se puede encontrar tal información. De la misma manera que con las masas y las energías de enlace de los átomos se puede estimar el punto de fusión de los cristales, cabe va- lerse de las masas de W y Z y de otras propiedades observadas de las partículas elementales para evaluar la temperatura, o energía, muy alta que han de alcanzar los aceleradores de partículas para explorar la rotura de la simetría electrodébil. Quizá se halle al alcance del acelerador más potente del mundo, el Tevatrón del Fermilab, en Chicago, y ciertamente no se le escapará al Gran Colisio- nador de Hadrones (LHC), el nue- vo acelerador que deberá entrar en funcionamiento en el año 2007 en el CERN, cerca de Ginebra.
¿Qué esperamos encontrar? En la versión original del modelo están- las proteínas de origen protomito-
condrial, rutas metabólicas enteras o enzimas que la evolución ha re- situado en distintos lugares, como el citoplasma, los peroxisomas o la membrana celular.
Llegamos así a una conclusión inesperada: el legado evolutivo de la simbiosis protomitocondrial hay que buscarlo no sólo en las mitocon- drias y en el importantísimo papel que desempeñan en el metabolismo
energético, sino también en nume- rosos procesos que ocurren en casi cualquier parte de la célula. Espe- cial interés reviste la participación de la simbiosis mitocondrial en la aparición de la apoptosis, la pluri- celularidad y el origen mismo de la célula eucariota.
TONI GABALDÓN ESTEVAN
Computational Genomics Universidad de Nimega