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Curiosidades Bioquímicas: La Paradoja de Levinthal




Tras el artículo Curiosidades Bioquímicas: ¿Cómo nadan las bacterias? continuamos hoy la serie de Curiosidades Bioquímicas con un artículo atípico, que por un lado es denso y complicado; y por otro tiene una gran carga filosófica (¡si obviamos la introducción!), que busca hacer pensar. La ciencia está lleno de enigmas por resolver, y hoy vamos a plantearnos, aunque sea de forma indirecta, uno de los más polémicos: el origen de la vida. Vamos a hablar hoy de la Paradoja de Levinthal (Cyrus Levinthal, 1.969).

Como expliqué en el artículo sobre el “ADN basura”, la célula[1] transcribe el ADN a ARN, el cual se traduce a proteínas en los ribosomas.

Hasta aquí, con la proteína recién formada en el ribosoma, parece que ya “hemos terminado”, pero no. Una proteína es algo más que una secuencia de aminoácidos codificada por el ADN nuclear: tiene una disposición en el espacio muy concreta que es la responsable última de su función, porque una proteína mal plegada en la mayoría de los casos pierde su función biológica. La proteína alcanza dicha disposición estructura gracias a los procesos de plegamiento, que pueden ser espontáneos o pueden estar mediados por proteínas que ayudan a otras proteínas recién formadas a plegarse, como las chaperonas.

Y ¿por qué las proteínas pueden tener distintas estructuras posibles? Es decir ¿por qué no tienen una disposición linear o una estructura “simple” como la doble hélice del ADN? La respuesta se encuentra en el “pegamento” que une los distintos aminoácidos: es el llamado enlace peptídico. Tal y como puede verse en la animación[2], el enlace entre dos aminoácidos forma un plano que se une al plano formado por el siguiente enlace a través de una “bisagra”. Dicha “bisagra”, a la cual se unen además las cadenas laterales características de cada aminoácido), se puede caracterizar definiendo dos ángulos de rotación, llamados phi y theta.

Sin embargo, no todos los ángulos son posibles, como puede verse en la animación. Hay parejas de los ángulos que disinuyen la estabilidad de la proteína porque “dejan” átomos tan cercanos en el espacio que se repelen, desestabilizando la proteína. El diagrama o mapa de Ramachandran muestra en una gráfica las “regiones” de parejas de ángulos que permiten formar elementos estructurales típicos de las proteínas, de los que ya hablaremos en otro artículo.

A la izquierda podemos ver el diagrama de Ramachandran de una proteína humana. Los cuadraditos amarillos son los distintos valores encontrados para cada par de ángulos presente en la proteína. A primera vista se ve que la mayoría se encuentran en unas regiones determinadas que se corresponden con elementos estructurales presentes con frecuencia en las proteínas. No obstante, unos pocos valores se encuentran fuera. Estos últimos valores son los que se obtienen cuando el segundo aminoácido del enlace peptídico es una glicina: es el aminoácido más pequeño, por lo que puede adoptar valores prohibidos para otros aminoácidos al presentar menos repulsiones.

Tras esta “farragosa” introducción vamos a hablar por fin de la paradoja de Levinthal. En ella, Levinthal muestra (de ahí el nombre de paradoja) lo que ocurriría si las proteínas se plegaran al azar, lo que vamos a ver con un ejemplo.

Imaginemos que tenemos una proteína de 100 aminoácidos; y que cada uno de sus enlaces peptídicos puede adoptar 2 conformaciones distintas (cogemos un número muy bajo e irreal para simplificar). En este caso, tendríamos 1,3 x 1030 conformaciones distintas (2100 conformaciones). Si suponemos que se prueban distintas conformaciones por ensayo-error, y que la proteína está 10 nanosegundos en cada conformación, la proteína tardaría en plegarse al azar 1,3 x 1022 segundos, o sea, ¡402 billones de años! Vamos, tardaría en plegarse ni más ni menos que 31.000 veces la edad actual del Universo (13.000 millones de años)[3]. Y estamos considerando una versión “simplificada” de la paradoja: si tuviéramos en cuenta que las proteínas suelen tener entre 300 y 700 aminoácidos; y que las conformaciones posibles en cada enlace son muy dispares, la cifra total de conformaciones y el tiempo de plegado serían realmente astronómicos.

Ahora bien, una proteína se pliega en un tiempo que oscila entre unos pocos milisegundos y un minuto, según cada proteína que tengamos en cada caso. Como dijo Einstein, y nunca mejor dicho, Dios no juega a los dados: está claro que las proteínas adoptan su conformación final de cualquier forma menos al azar.

Hay muchas y muy diversas teorías sobre el plegamiento de proteínas, y todas, basándose en esta paradoja, postulan que el plegamiento es ordenado. Una de las más aceptadas propone que en el medio acuoso del interior de la célula se produce un “colapso hidrofóbico”, gracias al cual los aminoácidos con cadenas laterales hidrofóbicas (que “huyen” del agua) quedan orientados hacia dentro, estabilizando la proteína. Pero la conformación colapsada anterior no es la estructura más estable: la proteína intenta “relajar” mediante pequeños cambios las repulsiones todavía presentes hasta el valor más bajo posible, que es la estructura más estable, es decir, la responsable de la función de la proteína.

La teoría anterior no es del todo correcta, pero nos puede valer como una aproximación. En la realidad, la estructura más estable no tiene porqué ser la funcional. Es más, muchas proteínas necesitan de otros elementos adicionales para estabilizar su estructura final, pero eso ya es otra historia…

Este tema da mucho que pensar. A mi me hace maravillarme aún más del hecho de que exista la vida. Cuando lo vi por primera vez en clase hace más de un año pensaba cosas como lo complicado que debió ser que se plegara la primera proteína; o la tremenda carambola (gracias a la cual estamos aquí todos hoy) que supuso el que se juntaran todas las proteínas indispensables para la vida y que además estuviesen todas correctamente plegadas en la primera célula. No podemos negar que la formación de la primera célula es un auténtico milagro y una grandísima coincidencia; por lo que no es descabellado plantearse (no me devoréis como si fueráis alienígenas matemáticos por decir esto) la existencia de una fuerza divina que “ayudara” en el proceso.[4]

¿Qué pensáis? ¿Donde buscaríais nuestro origen? ¿En el azar, en una coincidencia, en Dios, o en otro lugar?

  1. Para evitar malentendidos a menos que diga lo contrario siempre me refiero a células eucariotas, con el fin de simplificar. En la mayoría de los casos los mismos procesos se dan también en bacterias []
  2. Obtenida de la web de la UNAM []
  3. la versión original de Levinthal parte de otros números más elevados, he buscado simplificar las cuentas reduciendo el número de conformaciones para obtener números que podamos imaginarnos []
  4. Nota del editor: Un asunto tratado en El Tamiz, http://eltamiz.com/2007/04/20/%C2%BFno-es-mucha-casualidad-que-haya-vida-en-el-universo/ []

Sobre el autor:

Gencianal ( )

Gencianal es químico, aunque tiene interés por otros campos del saber como la biología y la economía.
 

{ 15 } Comentarios

  1. Gravatar Belerofot | 11/09/2008 at 11:35 | Permalink

    Buen artículo. Me gusta tu série.

  2. Gravatar Pedro | 11/09/2008 at 12:00 | Permalink

    Sí, eres realmente bueno en condensar la información en algo conciso y al grano :) Respecto a tu pregunta del final, creo que ya he dicho lo que tenía que decir en el artículo sobre el principio antrópico.

  3. Gravatar Macluskey | 11/09/2008 at 01:09 | Permalink

    Muy buen artículo. Y muy bien explicado; yo no tenía ni la más remota idea de esto y lo he comprendido más-o-menos.

    Y… vaya pregunta.

    Parafraseando a mi admirado “Viejo Profesor” (D. Enrique Tierno Galván), yo me considero “agnóstico”, es decir, no CREO en ningún Ser Supremo, pues no tengo pruebas físicas de su existencia. Pero ASUMO que pudiera estar equivocado: nuevas pruebas en un sentido u otro me podrían hacer cambiar de opinión. Es una diferencia importante con ser “ateo”. Un ateo está convencido de que el Ser Supremo no existe, a diferencia del creyente, que está convencido de que ese Ser Supremo sí existe.

    Así que no tengo respuesta para tu pregunta. Pero gracias por preguntar…

  4. Gravatar Manuko | 11/09/2008 at 01:32 | Permalink
    Un ateo está convencido de que el Ser Supremo no existe, a diferencia del creyente, que está convencido de que ese Ser Supremo sí existe.

    He aquí un ateo…

    No podemos negar que la formación de la primera célula es un auténtico milagro y una grandísima coincidencia; por lo que no es descabellado plantearse (no me devoréis como si fueráis alienígenas matemáticos por decir esto) la existencia de una fuerza divina que “ayudara” en el proceso.

    Las probabilidades de milagro – exito – aumentan exponencialmente con el tiempo cuanto menor es el singular – la proteína – y mayor el plural – la cantidad de proteinas -. Con las mismas palabras aunque en otro razonamiento, Dios no existe por ser un solo factor singular…

  5. Gravatar David | 11/09/2008 at 05:44 | Permalink

    Si queréis experimentar en vuestras propias manos cómo se doblega una proteína, con un simple juego, probad:

    http://fold.it/

    Se trata de doblar proteínas compitiendo para ver quién obtiene la forma más estable. No hace falta saber nada de biología, y además jugando estás ayudando a la ciencia. El proyecto se basa en el principio de que la mente humana es más rápida visualizando estructuras, encontrando simetrías, reconociendo patrones, resolviendo puzzles, etc. que un superordenador.

    Ya me contaréis. Puede que hasta os aficionéis como yo durante una temporada. ;)

  6. Gravatar Iratxo | 11/09/2008 at 11:19 | Permalink

    Si la vida es una solución posible a las ecuaciones que rigen el universo, acabará ocurriendo. Es la teoría de los números gordos. Si algo puede ocurrir, ocurrirá si se hacen los suficientes experimentos ¿no?.

    Es mi argumento para decir que si Dios existe, seguro que no tuvo nada que ver con la formación de la vida, era algo que simplemente podía, y por lo tanto debía, ocurrir. :) .

  7. Gravatar Karshan | 13/09/2008 at 02:53 | Permalink

    “¡402 billones de años! Vamos, tardaría en plegarse ni más ni menos que 31 veces la edad actual del Universo (13.000 millones de años)”

    Corrección: ¿No sería entonces 31.000 veces la edad del universo? De piedra me quedo.

  8. Gravatar ElHombrePancho | 13/09/2008 at 03:30 | Permalink

    David: probaré el foldit, gracias.

  9. Gravatar Gencianal | 13/09/2008 at 08:20 | Permalink

    Gracias por la corrección, Karshan!

    Macluskey: ¡vaya privilegio el haber sido alumno de Tierno Galván!

  10. Gravatar Macluskey | 13/09/2008 at 09:17 | Permalink

    No, Gencianal, no fuí alumno de D. Enrique.

    Admirador de su obra, sí. Lector, también. Y lo tuve por alcalde unos, desgraciadamente, pocos años, en los que Madrid cambió. Tres horas estuve en la cola de la Casa de la Villa, con un frío que pelaba, para poder despedirle cuando falleció.

    Pero no fuí alumno suyo, más me hubiese gustado.

    Claro que él era Catedrático de Latín, y yo soy informático, así que hubiera sido difícil coincidir.

    Saludos

  11. Gravatar Mazinger | 15/09/2008 at 07:33 | Permalink

    El tal Dios, de existir, debe estar pasándoselo en grande con las pajas mentales que la humanidad se hace en torno a él.

    En mi modesta opinión, lo único que la Paradoja de Levinthal pone de manifiesto es nuestro desconocimiento. ¿No será más razonable (como por otro lado ya señala Gencianal) pensar que el azar no dicta los plegamientos? Digo yo que es más divertido ponerse a buscar las causas que atribuirla a la Divina Providencia.

    Es muy humano achacar a la Divinidad las fallas de nuestro conocimiento. Se lleva haciendo durante milenios, muchos mitos no son más que el intento de explicar lo que no se conoce. ¡Y qué cómodo es! Los caminos del Señor son inescrutables. Fin de la cuestión. Tenemos un bug en nuestra programación que nos incita constantemente a creer allá donde no llega aún nuestro saber.

    La Paradoja de Levinthal es una se esas curiosidades científicas que tanto gustan a los creacionistas para “demostrar” sus tesis sobre la existencia de una “mente directora supranatural”. Y creo que todos conocemos cómo se las gastan los “simpáticos muchachos” creacionistas en EE.UU. Apoyados por fervientes políticos de corte “in God we trust” (lema que reza en el billete verde -¿a qué Dios se refieren-?) han conseguido que en muchas escuelas se prescinda de las ideas darwinianas, o al menos, se las ponga en pie de igualdad con las creacionistas, como si ciencia y creencia fuesen la misma cosa.

    Ateísmo, agnosticismo, creacionismo… Al final igual todo es una cuestión de fé. Me quedo con el agnosticismo, que de entre las tres que es la postura filosófica que menos carga de fanatismo lleva. Como creo que dijo Hawking en alguna ocasión, “si Dios existe la ciencia lo descubrirá”.

  12. Gravatar joel | 15/09/2008 at 01:19 | Permalink

    Esta reflexión me recuerda mucho al comentario que hice en último artículo sobre cómo nadan las bacterias, y el flagelo bateriano. En él, también hice referencia al principio antrópico que dice pedro.

    Agnóstico creo que es el estado básico de cualquier mente racional.

    Tanto para creer en la existencia de Dios, como para negarla siendo ateo, hay que poner fe, puesto que no hay pruebas objetivas, que puedan demostrar ni una cosa ni la otra. Al final todo son un montón de “pruebas o argumentos” que subjetivamente te ayudan a decantarte por una cosa, por la otra, o simplemente seguir como estabas a la espera de algo mejor para tomar tal decisión o ignorar el asunto.

  13. Gravatar Sergio | 17/09/2008 at 10:58 | Permalink

    Muy bueno el artículo, aunque de tan conciso que es me he quedado con ganas de más. Respecto a la pregunta, me han venido a la mente las dos teorías científicas (de las que creo que ya se ha hablado en El Tamiz) de si estamos solos o no en el universo, la creación de la vida como una casualidad o como algo muy común. Si el plegamiento de las proteínas fuera al azar, habría muchas posibilidades además, de que estuvieramos solos ¿no?. Y entonces he recordado el vídeo en el que Carl Sagan explica que de todo el universo descubierto (que es bastante) y todos los intentos por contactar con otra vida “inteligente”, no hay pruebas de nadie más a muchísimos kilómetros a la redonda (o a la esfera más bien), y que nadie va a venir a salvarnos, por lo que debemos cuidar este puntito azul que es nuestra casa. No se como enlazar el vídeo, pero es muy bueno (seguramente ya lo habréis visto la mayoría).

  14. Gravatar Christian | 02/01/2011 at 06:50 | Permalink

    Les diré una cosa, el articulo es excelente, ahí se ve algo de luz, pero no prueba nada aún y esto es por una razón…

    No hay ni pueden haber pruebas de la existencia de Dios, hay que pensar con lógica… si Dios existiera ¿no se habría ya mostrado a sí mismo hace tiempo?

    Pero eso no a sucedido… ¿porqué? Es Pórque Dios no Quiere mostrarse…

    La razón es increiblemente simple… porque la fe y el creer es una cuestion de humildad… es una forma de separar a quienes créen que lo necesitan y a quienes se creen auto-suficientes…

    El evangelio del que habló Jesucristo en sintesis explica que Dios se revéla a si mismo a los que son como niños pero que ignora y se oculta de los que se creen sabios y entendidos.

    Dios no puede obligar a nadie a creer mostrando su poder y dijciendo “Aqui Estoy” porque entonces estaríaviolando el codigo y los humildes serían iguales a los soberbios y no habría justicia…

    Mateo 5:6 Bienaventurados los que tienen hambre porque ellos serán saciados.

    Se refiere a: Bienaventurados los que reconocen su necesidad porque éllos serán saciados.

    Tan solo esto es para mí una prueba de la existencia de Dios.

  15. Gravatar Daniel López | 03/06/2011 at 12:48 | Permalink

    Dios: ¡thbpprrrrrrt!

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