¿Cómo evolucionan las nuevas proteínas si mutaciones leves en el ADN codificante causan cambios erráticos masivos en la estructura de la proteína?

Leves mutaciones en la codificación del ADN Pueden causar cambios masivos en la estructura de la proteína SI son un tipo de mutación especialmente transformativa, como una inserción o deleción que conduce a una mutación del “marco de lectura”, ya que alteraría el marco de lectura completo de los codones restantes en el secuencia, y por lo tanto la mayoría de la secuencia de Aminoácidos traducidos y, posteriormente, la estructura física en sí misma. Para que esto sea un evento catastrófico, es probable que tenga que ocurrir dentro del primer ~ 50-60% de la secuencia donde normalmente se ubicaría la información estructural para la creación de un sitio activo o un sitio de enlace. Esto podría conducir también, por ejemplo, a la producción de una enzima que no es capaz de unirse al sustrato deseado, o incluso a cualquier sustrato conocido … Por lo tanto, aunque la enzima misma está fabricada, es completamente disfuncional para completar una de las tareas de química celular, sin la cual, la vida misma puede no ser más una opción realista … También podría ser un problema masivo si una mutación puntual afectara la presencia o ausencia de un codón de inicio o detención dentro del futuro marco de lectura de proteínas … Sin embargo, Otras mutaciones genéticas mucho más sutiles, que pueden conducir a una proteína mutada de igual función que el tipo salvaje, o una con una disfunción muy leve, y sí, incluso en algunas raras ocasiones, en algunos casos podría haber una mutación de sustitución que causa una cambio de aminoácido único que realmente conduce a una mejora menor de la funcionalidad de la proteína, y si esa proteína de funcionamiento más eficiente tiene una función lo suficientemente importante, podría conducir a su huésped obtener una ventaja de supervivencia menor sobre su competencia, lo que posiblemente llevaría a una mayor tasa de supervivencia de los anfitriones de decendencia en el transcurso de Millenia, lo que llevaría a una diseminación final de la mutación útil a través de una porción menor de la población del futuro … Generalmente se necesita muchas mutaciones aleatorias, que se producen en muchos hosts diferentes, durante muchos miles de años, con el fin de dilucidar proteínas nuevas o simplemente más eficaces que surgen de una mutación genética aleatoria. Todo lo que necesitas es una gran cantidad de pequeñas mutaciones y una gran cantidad de tiempo. Afortunadamente, el tiempo es escaso para las personas … No es tan raro en un producto cuando se considera en términos de muchas poblaciones a lo largo de muchas generaciones.

Hay tres respuestas a esto.

El primero es que tu premisa es incorrecta. La alteración de un único par de bases en una secuencia de ADN cambia como máximo un aminoácido en la proteína completa codificada por el gen mutado. Muchos aminoácidos se pueden intercambiar por otros sin modificar sustancialmente la estructura de la proteína. Es cierto que la inserción o eliminación de un par de bases cambiará el marco de lectura y así alterará completamente la secuencia de aminoácidos de la proteína, pero este tipo de mutaciones son mucho más raras que las sustituciones de nucleótidos.

Las mutaciones de punto único pueden alterar la función de la proteína de una manera sutil, y también pueden aumentar o disminuir la afinidad de otra molécula por unirse a la proteína, lo que a su vez puede alterar la forma en que se regula dicha proteína. A medida que se acumulan con el tiempo, la función de la proteína puede cambiar radicalmente.

La segunda respuesta es que la mayoría de las líneas de descendencia se han sometido a “eventos de duplicación de genes” en algún momento de su historia evolutiva, en el que se duplican desde un solo gen hasta el genoma completo. Esto puede suceder si la meiosis falla y ambas copias de uno o más cromosomas terminan en la misma célula hija.

Por ejemplo, se cree que una duplicación completa del genoma le sucedió al antepasado de todas las plantas con flores modernas en algún momento durante el período Cretácico. Después de tal evento, el genoma contiene copias de muchos o incluso todos los genes. Los descendientes nacidos después de un evento de este tipo son capaces de tolerar mutaciones radicales para codificar ADN, ya que cualquier copia del gen que no haya mutado todavía produce la proteína original que aún puede cumplir la función original. Si alguna mutación produce una proteína radicalmente nueva que agregue valor de supervivencia al organismo, se conservará mediante la selección natural posterior.

Como era de esperar, no todos los eventos de duplicación del genoma son supervivientes. Pero los organismos que sobreviven de repente tienen un tesoro oculto de variación genética potencial que antes era imposible, y sus descendientes a menudo experimentan un gran estallido de especiación e irradian a una variedad de formas y nichos nuevos. Las plantas con flores proporcionan un gran ejemplo de este fenómeno.

La tercera respuesta es que mucha variación genética es impulsada por retrovirus y por sus relictos genéticos que llamamos transposones . Estos restos de virus antiguos salpican el genoma de todas las especies conocidas y tienen la propiedad de que, bajo ciertas circunstancias, pueden eliminarse de su ubicación en el genoma y pegarse en otro lugar. A veces, esta acción es fatal, si la secuencia se pega, interrumpe un gen crítico. Pero a veces, una secuencia de ADN se puede pegar en el medio de la secuencia de codificación de otra proteína, o tal vez en el final. A veces, esto da como resultado una nueva proteína con la mayor parte de la estructura de una anterior, pero que incluye un nuevo dominio, ya sea en el medio o en un extremo. En muchos casos esto no es útil, pero muy ocasionalmente se produce una proteína radicalmente nueva que tiene alguna función nueva y útil. Esto es especialmente fructífero después de un evento de duplicación de genes, porque una vez más el gen original aún sobrevive en otras partes del genoma y la proteína original todavía se puede hacer. Y como antes, si la nueva proteína demuestra tener un valor de supervivencia, se conservará por selección natural.

En ocasiones, los genes retrovirales mutan espontáneamente y terminan formando proteínas útiles a partir de genes que antes eran extraños. Se cree, por ejemplo, que los genes responsables de la unión de la placenta de mamífero a la pared uterina se crearon de esta manera.

Así que ahí lo tienen, hay muchas maneras diferentes en que las proteínas radicalmente nuevas se pueden hacer sin matar al organismo. Mi respuesta acaba de arañar la superficie de un tema tremendamente importante y complicado, y si está interesado, puede que quiera adquirir un libro de texto sobre genética evolutiva que le enseñará mucho más.

Uno, un pequeño cambio en la secuencia de pares de bases no siempre cambia la estructura de la proteína de una manera grande. En segundo lugar, la mayoría de las mutaciones de novo no implican ningún cambio en la estructura de la proteína.

Algunas veces, una mutación de novo no cambia la estructura de la proteína ni siquiera un poco. Lo que cambia es el tiempo de desarrollo. Los cambios de tiempo de desarrollo son la morfología del animal, NO la bioquímica del animal. Los animales relacionados generalmente tienen moléculas de proteínas idénticas y diferentes disposiciones de las moléculas.

A veces la mutación de novo cambia CUANDO se fabrica la proteína. Un pequeño cambio en el tiempo no interrumpe el ciclo de desarrollo por completo, pero puede hacer un cambio suficiente como para influir en las posibilidades de supervivencia de los organismos. Tal cambio en el tiempo a menudo se denomina heterocronía.

La heterocronía en la evolución implica la acumulación de cambios muy pequeños en el tiempo. La acumulación de cambios en el tiempo produce enormes cambios en la anatomía y la fisiología de un rasgo. El movimiento y el crecimiento de las células en el embrión están determinados por el momento en que los genes se activan y desactivan. Sin embargo, un pequeño cambio en el tiempo no matará al embrión tan rápido como un cambio en la estructura molecular. Entonces, la heterocronía a menudo causa especiación sin ningún cambio en la bioquímica.

Un gen es una secuencia de pares de bases de nucleótidos que tiene varias secciones que hacen cosas diferentes. Una sección determina la secuencia de aminoácidos en la proteína que se produce cuando ese gen se expresa y solo cuando ese gen se expresa.

El interruptor determina cuándo se expresa ese gen y cuándo se expresa ese gen. El interruptor en sí se alterna cuando las enzimas de una determinada secuencia se vinculan con el interruptor de diferentes maneras. La expresión se alterna mediante la metilación, hormonas, neurohumors y un montón de otras moléculas. Una mutación de novo puede cambiar la respuesta del interruptor sin cambiar la proteína ni un poquito.

El tiempo relativo de los genes afecta en gran medida el desarrollo. Sin embargo, se necesita un gran cambio en el tiempo para matar al organismo.

La heterocronía en la evolución se manifiesta de diferentes maneras. Por ejemplo, la neotonía se produce cuando el reloj biológico principal relacionado con la reproducción se ralentiza. Los humanos tienen neotonía con respecto a otros grandes simios. La estructura química de las proteínas es casi la misma en los chimpancés y los humanos, pero su tiempo de desarrollo se ha alterado desde su ancestro común más reciente.

Uno de los mejores libros de Gould es sobre la heterocronía. Lea “Ontogeny and Phylogeny” por Stephen Gould (1977). La mayor parte de lo que describe en el libro es la evolución cambiada por la heterocronía. También puede leer sobre la heterocronía en casi cualquier libro sobre anatomía comparada.

Las nuevas proteínas tienden a producirse a través de la modificación de las antiguas … ¿De dónde obtiene la célula / el organismo piezas de repuesto para “jugar”? Duplicación accidental de genes. Los ERRORES en la replicación o durante la meiosis pueden dar lugar a copias adicionales de regiones de ADN (y posible todo el genoma de vez en cuando: dos vueltas de la duplicación del genoma completo en los vertebrados ancestrales)

Tener una copia extra deja el original para hacer su trabajo (por supuesto, el original O la copia podría hacer el ‘viejo trabajo’) y las mutaciones en el nuevo pueden destruirlo (inofensivo), causar cambios inconsecuentes en él (invisible) o cambios que se acumulan para producir algo diferente.

Un gran ejemplo es la hemoglobina. Tienes muchas “copias” de algunos originales … se usa una copia antes de que nazcas y tiene la propiedad especial de “agarrar” oxígeno de manera agresiva, lo que permite que el feto “robe” oxígeno de la sangre de la madre.

Históricamente, nosotros (los mamíferos) perdimos la visión del color rojo-verde (que se cree que no se convirtió en algo muy útil mientras nuestros antepasados ​​de hace mucho tiempo se ocultaban por la noche de los dinosaurios). Lo recuperamos por la duplicación accidental de nuestro opsin “rojo”. Sabemos esto porque nuestra opsin de detección verde se parece más a nuestra opsin de detección de RED que a la opsina de detección de GREEN de otro organismo … lo que sugiere que es un hermano de nuestro rojo en lugar de un descendiente de la larga línea de greens que hay. Nuestro rojo y verde son todavía muy, muy similares … solo 3 cambios explican todas las diferencias “consecuentes” en las propiedades de las dos proteínas. Y esos tres son definitivamente cambios “leves” en los que el aminoácido está presente, y cada uno surge de un único cambio de nucleótido.

Vea mi respuesta aquí: ¿Cómo puede existir variación dentro de las especies cuando las mutaciones son dañinas?

Aquí hay un resumen. Hay figuras adicionales con datos en la respuesta original.

• Una gran cantidad de mutaciones son letales, pero se seleccionan rápidamente .
• En especies con grandes tamaños de población (especies asexuadas), la mayoría de las mutaciones perjudiciales todavía se purgan, porque la selección es más efectiva en poblaciones grandes . En cierto modo, esto fue reconocido por Darwin, quien basándose en las ideas de Malthus, notó que se necesitaba una gran cantidad de progenie para que sus teorías fueran posibles.
• En especies con tamaños de población más pequeños (eucariotas), una gran cantidad de mutaciones son “casi neutrales” y levemente deletéreas. Estos pueden persistir, pero no se acumulan (trinquete de Muller) debido a la recombinación / sexo . Ploidy también puede ayudar a reducir la depresión endogámica (pero no es necesario para el sexo).

Las leves mutaciones en la codificación del ADN no siempre provocan cambios erráticos masivos en la estructura de la proteína.

La mayor parte de la evolución proteica involucra aquellas mutaciones que no lo hacen.

Y a veces, un “cambio errático masivo” en la estructura de la proteína sigue siendo compatible con la evolución de una nueva proteína.

Es por eso que tiene dos copias de cada proteína, excepto las ubicadas en el cromosoma X si es hombre.

Las mutaciones en una proteína que son beneficiosas o dañinas provenientes de su padre se combinarán con una que sea una copia normal de su madre, o viceversa.

Si esta mutación es extremadamente útil y solo las personas que la portan sobrevivirán en su entorno, pronto todos tendrán ambas copias de esta nueva proteína mutante.

Una vez que eso sucede, entonces puedes tener que el gen de cualquiera de los padres vuelva a mutar. Es como, cómo tienes dos piernas, una avanza y la otra coge y así sucesivamente.

No todos los cambios en el ADN causan cambios masivos en la proteína (las mutaciones sinónimo no causan ningún cambio) y no todos los cambios en la estructura de la proteína afectan la función de la proteína (un cambio de aminoácido en un bucle lejos de un sitio activo, por ejemplo).

Más al punto, no todos los cambios son dañinos. Muchos son neutrales, y rara vez son beneficiosos. Sin embargo, incluso un cambio beneficioso raro se vuelve más frecuente si es ventajoso.