¿Qué ha hecho que la vida elija este subconjunto increíblemente diminuto de todas las proteínas posibles?

Me pregunto por qué la vida usa las proteínas particulares que usa, creo que unas 10 ^ 6 proteínas diferentes. La evolución no puede explicarlo porque la cantidad de proteínas posibles es demasiado grande para existir en cualquier parte del universo visible, y mucho menos en la Tierra. Y la selección evolutiva solo funciona en cosas que existen.

¿Hay alguna explicación química o de otro tipo, o se trata de una paradoja no resuelta en biología?

El número medio de aminoácidos en una proteína humana es 375. La mayoría tienen más de 200 y tal vez todos tengan más de 100. Los 20 tipos diferentes de aminoácidos se pueden combinar en 20^375 = 10^487 proteínas diferentes que tienen la longitud 375.

Si toda la corteza de la Tierra consistiera en proteínas que tuvieran 375 de largo y cada proteína mutara una vez cada nanosegundo durante 5 mil millones de años y cada mutación resultara en una proteína que es única en el tiempo y el espacio, y existen 100 de esas "Tierras proteicas". alrededor de cada estrella y 1000 billones de estrellas en cada una de las 1000 billones de galaxias en el universo visible, todavía solo suma algo así como 10^100 proteínas. Agregar 10 ^ 37 años hasta que el último remanente de estrellas se haya enfriado a menos de 1 Kelvin, no cambia esta imagen, casi todas las proteínas posibles, literalmente, nunca existirán en ninguna parte. Incluso si me equivoco por un factor de un millón en cada uno de esos números, solo podría existir una en 10^300 de todas las proteínas de longitud media posibles.

Dado que nuestro subconjunto alucinantemente pequeño de posibles proteínas sustenta la vida, ¿no deberíamos esperar que muchos (como en 10 ^ 300) otros subconjuntos potenciales de diferentes proteínas también lo hicieran? ¿Y podemos concluir que si la vida basada en ADN/proteína se ha originado en algún otro lugar, no tendrá ni una sola proteína en común con nosotros o con cualquier otro origen de vida independiente? ¿O este enfoque en las proteínas es de alguna manera inválido?

Oraciones "... la selección evolutiva solo funciona en cosas que existen". y "¿Qué ha causado que la vida elija esto..." Parece "La vida de repente comenzó a usar un conjunto arbitrario de proteínas, como el tipo que compra algunas herramientas en una tienda casi infinita" y no es cierto, tiene todo que ver con la evolución. .
@Mithoron Si las mutaciones son aleatorias, entonces la proteína mediana puede mutar a 10 ^ 487 proteínas nuevas diferentes. ¡Menos de uno en 10 ^ 300 sucederá alguna vez en cualquier lugar, y aún así funciona bien de por vida! ¿Quizás 10 ^ 200 otras mutaciones también habrían funcionado bien? ¿O somos tan afortunados? La evolución no tiene nada que ver con la selección de proteínas que nunca existen. La evolución solo se activa dado este subconjunto ridículamente pequeño. Me pregunto si algún mecanismo conocido puede explicar esta selección de variedades de proteínas.
Esta pregunta es un poco como barajar una baraja de cartas y preguntar por qué terminaron en ese orden en particular. Solo son por casualidad.
@CactusWoman Y tener que concluir que obtuviste una escalera de color de uno en 10 ^ 100, o que casi cualquier mano dada habría sido tan buena. No importa mucho cómo muten las proteínas, de todos modos darán vida.
@LocalFluff Las proteínas no mutan. Los genes mutan. Se seleccionan individuos. Las especies evolucionan. Incluso cuando los genes mutan, no pueden hacerlo cada nanosegundo. La cantidad fenomenalmente grande de radiación que podría causar que cada gen en la tierra mute cada nanosegundo, ¿entiendo bien? ¿Eso es similar a su experimento gedanken?--borraría la vida en la tierra en menos de un segundo. No hay vida, no hay piscina interminable de proteínas largas de 375 aminoácidos. Cuando decimos que hay 10 ^ 6 secuencias de proteínas diferentes en el planeta, ¿es esa su afirmación (?)? Eso es engañoso, no tienen 10 ^ 6 funciones.
"¿Tal vez 10^200 otras mutaciones también habrían funcionado bien?" Sí lo habrían hecho. Luisi (le sugiero encarecidamente que lea su trabajo si está realmente interesado en este tema) hizo un buen comentario al respecto. Hay muchos estudios que muestran que las proteínas puramente aleatorias tienen una alta probabilidad de tener una función; resultó, por ejemplo, que para un entorno dado (condición de amortiguamiento), un porcentaje constante de proteína aleatoria colapsará en una estructura plegada y tendrá algunos cambios bioquímicos. reactividad.

Respuestas (3)

La respuesta es casualidad o, mejor aún, contingencia .

Sobre tus cálculos, es cierto que las secuencias teóricas son casi ilimitadas, pero los andamios básicos no lo son. Secuencias muy diferentes pueden plegarse en el mismo andamio básico y tener una reactividad/función similar. Entonces, incluso si no se han explorado todas las secuencias en este planeta, la mayoría de los andamios y funcionalidades sí lo han sido. Es cierto que la vida basada en proteínas podría evolucionar en otro lugar, y es cierto que la secuencia espacial general que evolucionó en otro lugar sería diferente de la que evolucionó en este planeta. Sin embargo, esperaría encontrar casi la misma paleta de reacciones bioquímicas que hemos descubierto en nuestras proteínas.

Sugeriría leer el trabajo de PL Luisi aquí . Él hace muy buenos puntos sobre este tema.

Acaba de salir un nuevo documento , creo que es una buena adición a esta respuesta.

+1 para la secuencia - comparación de andamios. Buena idea,
¿La copia de fragmentos de ADN también sesgaría contra la diversidad de proteínas en términos de lo que es fácil de generar (ventaja del primer motor) y quizás en términos de contención de errores?
Esa no es una respuesta lógica. La evolución no tiene relación con qué "andamiaje" sería óptimo, ya que la evolución nunca puede probar y seleccionar una proteína que sea mejor que 10 ^ 100 veces peor que el óptimo teórico real, para una proteína que consiste exactamente en un número medio de aminoácidos. "Casualidad" no es la respuesta. ¡El "azar" es precisamente lo que es completamente derrotado por estos grotescos números de monstruos!
La evolución no sabe realmente qué andamio será óptimo y nunca probará todas las posibilidades, pero ese no es el punto. Mi punto es que, dado un número infinito de secuencias, no terminas con un número infinito de funciones ni de dominios. La mayoría de las infinitas secuencias se plegarán en unos pocos andamios principales, con más o menos la misma forma y acabarán teniendo funciones biológicas muy parecidas.
Consideremos una proteína muy fácil de hacer un ejemplo, la GFP. La única función que tiene es ser fluorescente. Se conocen muchas variantes de esta proteína fluorescente, todas con una secuencia diferente. La secuencia puede variar mucho, sin embargo todas las proteínas terminan teniendo la misma estructura y función principal. Ahora, todas las variantes difieren en el espectro de absorción/emisión y en la estabilidad en diferentes condiciones. Estos factores serán seleccionados por la evolución pero dependerá de cada caso si una proteína fluorescente roja será más ventajosa que una verde por ejemplo.
¿Todas las variantes de proteínas fluorescentes serán probadas por evolución en nuestro planeta? ¡No! ¿Existe una GFP mejor, más estable y más eficiente en el universo? Probablemente. Entonces, el "óptimo" al que te refieres es siempre un óptimo local, local en el tiempo y en el espacio, es decir, esa proteína en particular tiene una ventaja ahora, en ese entorno y para ese organismo y de todos modos no será la mejor solución. Esa es la contingencia! y en su mayor parte se rige por el azar... De eso se trata la evolución.

No estoy seguro de entender la pregunta. Ha demostrado con elegancia que solo una pequeña fracción de todas las secuencias de proteínas podría existir, pero luego preguntó por qué solo existe una pequeña fracción de todas las secuencias de proteínas. Sus conclusiones sobre los orígenes independientes de la vida que no tienen proteínas en común son precisas, pero también considere que usted, como ser humano, no tiene ni una sola proteína en común con las bacterias en su yogur (quiero decir que sí, pero tienen secuencias ligeramente diferentes ).

En cuanto a qué subconjuntos de proteínas forman la vida, hay demostrablemente miles de conjuntos de proteínas que sustentan la vida. Cada individuo genéticamente distinto tiene un conjunto ligeramente diferente de proteínas, la mayoría de las cuales sustentan la vida.

En cuanto a cuántos de estos subconjuntos existen, eso es desconocido. Tal vez los extraterrestres solo usen ribozimas basadas en moléculas de ARN. Tal vez tengan un conjunto diferente de aminoácidos, o una columna vertebral de silicio para sus proteínas, o lo que sea. Hasta que encontremos vida extraterrestre (o abiogénesis perfecta en el laboratorio), la diversidad total de cosas similares a la vida es incognoscible.

Pensé que toda la vida en la Tierra compartía algunos genes, incluso yo y el yogur bacteriano que como en el desayuno. ¿Pero tal vez nada de eso se expresa como proteínas? ¿Y es realmente "demostrable" que miles de conjuntos de proteínas sustentan la vida? ¿Y qué tiene que ver "miles" con los órdenes de magnitud involucrados aquí? No se trata de miles, se trata de uno en un billón de un billón de un billón de un billón de un billón de un billón de un billón de un billón de un billón. Por lo menos. Por la proteína de longitud media que nos mantiene a ti ya mí vivos y felices.
de nuevo, no es la secuencia lo que importa en este caso sino el "dominio de la proteína". Para hacer una analogía fácil, piense en un automóvil, tiene 4 ruedas y un motor y tiene una función principal. Ahora puede pensar en billones de billones de billones de coches diferentes, cada uno de un color diferente, una forma diferente, un tamaño diferente, configuraciones diferentes... haga los cálculos y encontrará que los números son enormes. Sin embargo, la función será siempre más o menos la misma. Así en otros planetas, con otras combinaciones de piezas, siempre surgirá el mismo tipo de máquinas. Las proteínas son máquinas moleculares.
Tú y un yogur comparten muchos genes, pero las secuencias no son idénticas. Metafóricamente, ambos tienen un volante, pero es un volante diferente. Tal vez un poco más pequeño o con una inserción de cuero o lo que sea. Hace lo mismo pero no es idéntico.
@alec_djinn ¿Estás seguro de que toda la 'vida' tiene exactamente el mismo conjunto de funciones moleculares? La vida del 'mundo del ARN' sería similar a la vida que reconocemos, pero la gran mayoría de las proteínas tendrían funciones completamente diferentes, o no serían proteínas en absoluto. La vida del 'mundo de ARN' también es lo más similar a la vida familiar que podemos concebir, y existe una certeza estadística de que la vida extraterrestre sería más extraña de lo que podemos concebir. No es necesario que surja 'el mismo tipo de máquinas'.
@ Resonante Bueno, si hablamos de "vida basada en la química", entonces sí. Cualquiera que sea el conjunto de moléculas que elija, habrá problemas comunes que resolver para tener vida, como cómo almacenar información, hacer funcionar el flujo de energía, etc. En un escenario molecular, estos problemas se resuelven acoplando reacciones químicas (oxidaciones, reducciones, enlaces formación, etc...) en vías más grandes. Si esas vías son catalizadas por proteínas, ácidos nucleicos u otras moléculas, no importa y pueden variar de una forma de vida a otra. ¿No crees?

Preguntas por qué los seres vivos usan las proteínas que usan, y no algo diferente.

Es principalmente porque deben hacer algo que funcione, y han encontrado algo que funciona bien.

Cada proteína cumple una o más funciones para su célula. Si cambia al azar, probablemente se convertirá en algo que hace esas funciones menos bien. Porque ha sido seleccionado durante miles de generaciones para conseguir algo que funcione bien, por lo que la mayoría de las alternativas son peores.

Muchas mutaciones no tienen efecto. Pero si tienes 300 proteínas y tienes un cambio en cada una de ellas, lo más probable es que no vivas tan bien. Y si su hijo tiene otro cambio en cada proteína, probablemente le irá peor que a usted. No pasarán muchas generaciones antes de que tus descendientes no puedan competir y se extingan.

Así que cada cambio es una apuesta. Si no haces ningún cambio, eventualmente algo que cambie funcionará mejor y te extinguirá. Pero si haces demasiados cambios, a tus descendientes les irá peor debido a ellos. Idealmente, haría el número correcto, para equilibrar las probabilidades ponderadas de daño de los cambios malos frente a los beneficios de los cambios buenos.

Para muchos organismos, la tasa de cambio ha bajado alrededor del 1%, el 99% de las veces no experimentan ningún cambio cuando se reproducen.

Dado que nuestro subconjunto alucinantemente pequeño de posibles proteínas sustenta la vida, ¿no deberíamos esperar que muchos (como en 10 ^ 300) otros subconjuntos potenciales de diferentes proteínas también lo hicieran?

Por supuesto. Y hemos tendido a encontrar algunos a los que podamos llegar desde donde estábamos antes. Las mutaciones puntuales tienden a ocurrir en pequeños pasos. Cambias un aminoácido por otro similar. El código genético es un Código Gray, muchas veces las mutaciones no tienen efecto, o se reemplazan aminoácidos hidrofóbicos por otros hidrofóbicos, se reemplazan aminoácidos por otros de tamaño similar, etc.

Algunas de las mejores enzimas pueden ser cosas que no tienen nada bueno similar a ellas, por lo que es muy difícil evolucionar hacia ellas.

Los escritores de ciencia ficción a veces han escrito sobre la vida que ha evolucionado en diferentes épocas, y por lo general suponen que la más evolucionada superará simple y fácilmente a las que no han tenido tanto tiempo para descubrir mejores formas. Eso no es necesariamente así. Los seres humanos transportados de regreso al Período Silúrico podrían comer bien (una vez que descubrían qué mariscos son venenosos) y podrían no ser comidos por nada (pero podrían ser asaltados por ciempiés si duermen, y ser incapaces de hacer hamacas con cooksonia, y tampoco tienen árboles de donde colgar las hamacas). Todavía pueden no prosperar. Medio billón de años evolucionando para encajar en un ecosistema diferente podría no ser tan útil después de todo.

¿Qué ha hecho que la vida elija este subconjunto increíblemente diminuto de todas las proteínas posibles?
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