NeoFronteras

Sobre el origen del metabolismo del oxígeno

Área: Biología — Martes, 17 de Enero de 2012

Un estudio proporciona pistas sobre cómo apareció el oxígeno por primera vez sobre este planeta.

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Vitamina B6 cristalizada vista con luz polarizada. Fuente: Wikimedia Commons.

Ninguno de nosotros estaría aquí ahora respirando, incluyendo a usted amigo lector, si hace miles de millones de años algún microorganismo no hubiera empezando a usar oxígeno en su metabolismo. No se sabe exactamente cuándo y cómo paso esto, pero ahora un grupo de científicos ha identificado la enzima que, entre otras, fue la primera en generar ese oxígeno libre, en lo que constituye un ejemplo de metabolismo aeróbico. Además, el estudio proporciona pistas sobre cómo apareció el oxígeno por primera vez sobre este planeta. Aunque éste ya estaría presente mucho antes, hace entre 2000 y 3000 millones de años se produjo una aparición súbita y dramática de oxígeno molecular en la Tierra.
El grupo de investigadores que ha hecho este descubrimiento está dirigido por Gustavo Caetano-Anollés de University of Illinois. El nuevo resultado está basado en una docena de estudios previos encaminados a seguir la evolución molecular de la vida mediante el análisis de las estructuras de proteínas actuales.
No es fácil saber cómo sucedieron las hechos geológicos y biológicos de hace miles de millones de años. Pero nos podemos valer del registro geológico y de la composición isotópica de los materiales allí contenidos. O también podemos estudiar los fósiles en él se encuentren. Pero ahora también disponemos de una herramienta fabulosa. Podemos estudiar las proteínas (o los genes que las determinan) en los seres vivos actuales y tratar de leer en ellas la historia biológica de la Tierra. Este tipo de técnicas nos permiten viajar hacia atrás en el pasado, incluso a un pretérito muy remoto.
Las proteínas se forman a partir de una secuencia de aminoácidos, pero su funcionalidad la da su plegamiento. Determinadas secuencias pueden darse dentro en una misma proteína y ser común a muchas otras. Cada una de estas subunidades tiene una forma de plegarse específica. El estudio que comentamos se centra precisamente en estas distintas regiones de proteínas, tanto desde el punto de vista estructural como funcional, que son universales en las células vivas. Estas subunidades son más estables en el tiempo que la propia secuencia de aminoácidos que las componen, ya que se pueden producir cambios en esa secuencia debidos a mutaciones sin que esto afecte al plegamiento o a su función. Por esta razón estas subunidades o folds son marcadores más fiables a la hora de estudiar patrones evolutivos a largo plazo.
En el transcurso del tiempo, y a lo largo de los distintos dominios, los seres vivos han cambiado estos bloques como el que cambia piezas de Lego. Este “barajamiento” dificulta determinar el origen evolutivo de los dominios.
La pregunta que se plantearon estos investigadores fue cómo y por qué los organismos más primitivos empezaron a generar oxígeno.
Los geólogos y paleontólogos señalan que hace 2400 millones de años se produjo el Evento de Gran Oxigenación, suceso que produjo una gran emisión de oxígeno libre y que normalmente se asocia con la aparición masiva de organismos fotosintéticos. Pero el problema es que el oxígeno molecular debía ser tóxico para los seres vivos, dada su gran capacidad de oxidar las moléculas orgánicas. ¿Cómo evitaron esos primeros organismos perecer bajo el oxígeno que ellos producían?
Estos investigadores buscaron la respuesta a estas preguntas en los “fósiles moleculares” que todavía residen en las células vivas. Analizaron estos folds de los que hemos hablado en miles de organismos en todos los dominios disponibles para así reconstruir una cronología de la historia de las proteínas.
Se centraron en proteínas con sólo un dominio que codificaba una función. Además esperaban que limitando el estudio a dominios relacionados con el metabolismo aeróbico podrían deducir la historia del proceso.
Se centraron en un folds específico que los investigadores juzgaron como el más antiguo de todos y calibraron su cronología usando fósiles microbianos que aparecen el registro fósil geológico, como los relacionados con la aparición de los eucariotas.
El análisis revela que la reacción metabólica aeróbica más antigua implica la síntesis de pirodoxal, que es la parte activa de la vitamina B6 y esencial en la actividad de muchas enzimas (una enzima es una proteína que cataliza reacciones bioquímicas). Sitúan su aparición a hace 2900 millones de año, a la vez que otra enzima generadora de oxígeno la catalasa manganeso.
En otros estudios recientes se sugiere que la respiración aeróbica empezó sobre la Tierra 300 o 400 millones de años antes que el Evento de Gran Oxigenación. Esto tiene sentido porque probablemente la producción de oxígeno ya se daba antes de que se produjera el famoso evento.
Las catalasas convierten el peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) en agua y oxígeno. Digamos que esta enzima “detoxifica” el agua oxigenada y la rompe en agua y oxígeno molecular. Los investigadores proponen la hipótesis de que los organismos primordiales dieron evolutivamente con esta enzima cuando trataban de sobrellevar la abundancia de peróxido de hidrógeno en el medio.
Algunos geoquímicos creen que este compuesto era abundante en esa época como resultado de la acción de la luz ultravioleta de sol sobre los glaciares que cubrían la Tierra, aunque no hay muchas pruebas al respecto. Al ir derritiéndose los glaciares se liberaban altas concentraciones de agua oxigenada y esto expuso a los microorganismos de la época a este compuesto. Caetano-Anollés sostiene que la catalasa manganeso probablemente fuera la culpable del aumento de oxígeno en el planeta.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.

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1 Comentario

  1. Ramanujan:

    Esta pregunta de cómo los organismos primitivos comenzaron a generar oxígeno se viene haciendo desde hace tiempo. Aunque no a un nivel tan básico, el molecular,como señala el presente artículo, si se han dado respuestas que enlazan la que quizás se la hipótesis más consensuada hoy, la del origen de la vida en ambientes hidrotermales volcánicos submarinos y la posterior producción de oxígeno.Euan Nisbet ha propuesto que bacterias termotácticas (que se mueven hacia las fuentes de calor) generarían por azar pigmentos parecidos a la clorofila y algunas cepas más aventureras emigrarían hacia el calor de la radiación solar de la superficie. Estos organismos, por su propia naturaleza,realizarían una forma primitiva de fotosíntesis que aprovechría la radiación menos energética de la luz solar, la infrarroja, y sustancias reducidas como hidrógeno o azufre. Hoy día, la fotosíntesis actual implica una compleja maquinaria bioquímica que incluye la enzima ribulosa bifosfato carboxilaxa, que es la encargada de capturar el CO2 atmósferico o disuelto en el mar, pero eso parece que no pudo ser así desde el principio.

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