Evolución convergente y divergente de proteínas

Ana Claudia Flores

EVOLUCIÓN CONVERGENTE Y DIVERGENTE DE PROTEÍNAS

EVOLUCIÓN CONVERGENTE Y DIVERGENTE DE PROTEÍNAS

Cuando dos especies divergen a partir de una se da lugar al surgimiento de un nuevo linaje. Se establecen, a partir de ese momento, dos versiones de una misma proteína. Las mutaciones ocurren al azar en los genes codificantes de cada versión y una vez que esta mutación se fija por drift genético o selección natural la secuencia de aminoácidos comienza a cambiar lentamente en forma independiente de lo que ocurre con el gen homólogo en la otra especie. La “desconexión” de dos genes para una misma proteína puede ocurrir en un mismo organismo por duplicación génica como resultado de un error en el proceso de replicación. A raíz de esta separación la secuencia de ambas proteínas es capaz de variar independientemente. Como resultado, aparecen isoformas que pueden especializarse y responder demandas separadas. Estas demandas son a menudo establecidas en tejidos individuales en el organismo y las dos secuencias divergen satisfaciendo estos requerimientos particulares. (1)

Podemos decir entonces que la historia de la proteína está contenida en su secuencia de aa y puede ser reconstruida por comparación de la misma en especies diferentes.

Como la secuencia cambia mucho más rápido que la estructura tridimensional, al intentar estudiar proteínas relacionadas distantemente es necesario complementar el alineamiento de secuencia con la superposición de modelos moleculares cristalográficos. Es a partir de estas comparaciones que pueden elucidarse los gaps que aparecen en el alineamiento e incluso pueden relacionarse proteínas con escasa similitud de secuencia.

El análisis de estas relaciones permite inferir el origen de determinadas estructuras o establecer nuevas estructuras.

Para decidir si un dominio presenta un nuevo plegamiento o está relacionado distantemente con otra proteína es útil centrar la atención en “detalles finos”, es decir, buscar similitudes de empaquetamiento raras o inusuales que permitan suponer que es poco probable que puedan haber aparecido en forma independiente y su similitud ser casual. En base a esto, estudios recientes determinaron la relación del dominio catalítico de la adenil ciclasa con el dominio “ palm” de la DNA polimerasa I (dos estructuras superponibles pero con escasa similitud de secuencia). En ambas hay varias características conservadas ausentes en proteínas con el mismo motivo estructural. Ambas proteínas catalizan reacciones distintas pero análogas, divergencia funcional típica de proteínas relacionadas distantemente. (2)

La frecuencia con la cual los residuos cambian en distintas posiciones es desigual. Es mayor en la superficie y en los loops que conectan estructuras secundarias que en las posiciones más internas en el empaquetamiento. Este comportamiento de selección natural refleja severas restricciones de variación.

Si bien las proteínas que han divergido aún retienen la arquitectura y topología de su plegamiento ancestral, el plegamiento puede cambiar durante la evolución. Pueden existir distintos topoisómeros en los cuáles los elementos de estructura secundaria son los mismos pero alguno de los loops conectores están arreglados de manera diferente. Como la contribución a la energía libre del estado plegado es pequeña, la estabilidad de los topoisómeros puede ser similar. La conversión de uno a otro requiere de un unfolding parcial lo que establece una barrera termodinámica y cinética a la topoisomerización espontánea. Estos isómeros de plegado nativo son entonces “trampas cinéticas” o estados metaestables en el proceso de plegamiento.(2)

Las globinas son una familia de proteínas para las cuales muchas secuencias están disponibles,

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