Uno de los aspectos más fascinantes de la ciencia es que nos proporciona una narrativa de cómo y por qué las cosas son como son. Esta narrativa revela una ingente cantidad de eventos que, de no haber sucedido o haber sucedido de otro modo, habrían hecho imposible nuestra existencia.
Estos eventos suelen ser de una enorme dimensión: grandes erupciones volcánicas, colisiones de asteroides, drásticos cambios climáticos. Todos ellos modularon la evolución de la vida y la aparición de la inteligencia. Sin embargo, existen pequeños eventos sucedidos en algunas moléculas que son al menos tan importantes como ellos para nuestra existencia. Uno de esos eventos originó la hemoglobina.
Si la hemoglobina no existiera, la vida de animales terrestres de una talla superior a la de un pequeño gusano sería imposible. Esto es así porque el oxígeno, sin ser transportado por la hemoglobina de la sangre, no podría difundir desde el aire más que unos pocos milímetros en el interior del cuerpo de los animales. El oxígeno no es un gas muy soluble en agua, por lo que el plasma sanguíneo por sí solo no puede transportar a los tejidos el oxígeno necesario para un metabolismo rápido. Sin hemoglobina, un cerebro de la complejidad y talla del nuestro sería impensable, nunca mejor dicho.
¿Por qué la hemoglobina es tan adecuada para el transporte de oxígeno? La respuesta a esta pregunta reside en su estructura molecular. La hemoglobina está formada por cuatro proteínas iguales dos a dos. Estas dos proteínas se denominan la cadena alfa y la cadena beta. Una cadena alfa se une a una beta y estas dos se unen a otra combinación de cadenas alfa-beta.
Cada una de las cuatro cadenas lleva unida una molécula que contiene un átomo de hierro. Esta molécula se denomina el grupo hemo, que da a la hemoglobina su nombre. El átomo de hierro del grupo hemo es el encargado de unir un átomo de oxígeno. Así, cada molécula de hemoglobina es capaz de unir cuatro átomos de oxígeno.
Un GPS para la hemoglobina
Sin embargo, para transportar de manera adecuada el oxígeno en la sangre no basta con capturarlo en cantidad suficiente. La hemoglobina debe también detectar en qué parte del organismo se encuentra. Si se encuentra en los pulmones, debe ser capaz de capturar el oxígeno con mucha fuerza y no soltarlo. Cuando con la circulación de la sangre llega a los órganos y tejidos, la hemoglobina debe ser también capaz de detectar que se encuentra en ellos y disminuir la fuerza con la que une al oxígeno para poder soltarlo.
Que la hemoglobina sepa dónde se encuentra es posible porque esta detecta tanto la cantidad de oxígeno disponible, como la acidez del plasma sanguíneo en su entorno. En los pulmones abunda el oxígeno y se está expulsando dióxido de carbono, un gas que disuelto en agua produce ácido carbónico. La expulsión del dióxido de carbono en los pulmones hace que disminuya la cantidad de ácido carbónico, lo que también disminuye la acidez de la sangre. En cambio, en el resto de los órganos se está consumiendo oxígeno y este abunda mucho menos que en el pulmón. Al mismo tiempo, se está generando dióxido de carbono en el metabolismo. Esto hace que al disolverse en el plasma sanguíneo este gas genere ácido carbónico y la acidez de la sangre aumente.
Cada cadena alfa y beta de la hemoglobina es capaz de detectar la cantidad de oxígeno y el nivel de acidez. Más aún: cada cadena puede comunicar esta información a sus cadenas vecinas. Esto consigue que cada cadena alfa y beta colabore con las demás y haga lo mismo que ellas en el momento adecuado. Así, en los pulmones, la colaboración entre las cadenas permite una captación del oxígeno coordinada y muy eficiente. En los tejidos, este gas es igualmente liberado de manera coordinada y extremadamente eficiente por las cuatro cadenas.
Resurrección molecular
¿Cómo ha evolucionado esta capacidad de la hemoglobina que la convierte en un transportador de oxígeno sin parangón? Esto no era conocido en detalle. Se sabía que los ancestros de la hemoglobina estaban inicialmente formados por una sola cadena aislada que solo podía capturar un solo átomo de oxígeno. La cadena solitaria no era capaz de detectar la cantidad de oxígeno ni la acidez del entorno con precisión y, por supuesto, carecía de la propiedad de la colaboración, puesto que una cadena solitaria no puede colaborar con otras. La colaboración necesita interacción.
Por consiguiente, para que la hemoglobina apareciera fue necesario que su gen ancestral primero se duplicara y donde había uno ahora hubiera dos, el alfa y el beta. Posteriormente, fue también necesario que estos genes mutaran cada uno por su lado y que esas mutaciones permitieran generar la combinación de las cuatro cadenas que existe hoy. Todo este proceso parece complejo, e improbable.
Para intentar averiguar cómo pudo suceder, un grupo internacional de investigadores ha conseguido “resucitar”, mediante una combinación de técnicas bioinformáticas y de biología molecular, al siguiente ancestro más probable de la hemoglobina. Esta molécula surgió hace alrededor de 400 millones de años y estaba formada por la unión de solo dos cadenas de proteína idénticas. Esta hemoglobina tampoco poseía las propiedades de la hemoglobina actual.
Los investigadores intentan reconstruir el camino evolutivo que desde el segundo ancestro de la hemoglobina pudo originar la hemoglobina moderna. Esperaban tener que considerar decenas de mutaciones diferentes en los dos genes primigenios, ocurridas a lo largo de decenas de millones de años. Sin embargo, no fue así. Sorprendentemente, los científicos descubren que solo dos mutaciones en zonas particulares de los genes ancestrales, que modifican la superficie de las cadenas alfa y beta y permiten su interacción, son suficientes para generar una hemoglobina muy similar a la actual y con similares propiedades.
Estos estudios demuestran que, al menos a nivel molecular, cambios puntuales en ciertos genes pueden permitir grandes saltos evolutivos. En este caso, dos pequeñas mutaciones hicieron posible nada menos que el proceso de la respiración por pulmones y branquias y la aparición de animales de metabolismo rápido, como los mamíferos. Y aquí estamos.
Referencia: Arvind S. Pillai (2020). Origin of complexity in haemoglobin evolution. Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-020-2292-y
Jorge Laborda, 19 de julio de 2020.
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