martes, 13 de noviembre de 2012

Proteínas. Ingeniería biológica en la nanoescala

            Después de un par de entradas dedicadas a la situación de la ingeniería biomédica como profesión y su estado del arte en España, vuelvo a hacer un zoom hacia el nanomundo, para ver cómo se las ingenia la biología para crear seres vivos como los existentes. En esta ocasión os invito a conocer un poco más sobre las famosas proteínas.

Y digo bien, lo de “famosas”. En la actualidad, las tendencias en investigación clínica están por la labor de descubrir el funcionamiento de estas macromoléculas que, pese a ese nombre, pueden ser de tamaño nano/micrométrico. No en vano, los anticuerpos, que son las proteínas encargadas de detectar los patógenos que entran en nuestro cuerpo, tienen unas pocas decenas de nanómetros de tamaño, si bien su peso es elevadísimo, comparado con otras moléculas habituales.

Pero para entender el alcance de la importancia de las proteínas, es necesario empezar, como siempre, por el principio.

Supongamos que tenemos un montón de átomos de carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N) y azufre (S). El conocido como “grupo de los CHONyS” :D. Sólo con estos 5 átomos seríamos capaces de formar todos los aminoácidos conocidos hasta el momento. El aminoácido es la molécula básica/unidad estructural/monómero de una proteína, y se llama así por estar formado por un átomo de C del que cuelgan un grupo “amina”, otro “ácido” y otro grupo, llamado “radical”, que es el que le da el nombre, las características y la función (Fig. 1a). De hecho, hasta el momento, sabemos que son 20 los aminoácidos existentes en la naturaleza (Fig. 1b).

Fig. 1. (a) Esquema de un aminoácido. (b) Los 20 aminoácidos descubiertos hasta la fecha.

Pues bien, uniendo varios aminoácidos (monómeros) y, haciendo un poco de ratas de laboratorio, conseguiremos un biopolímero llamado proteína. Y esta unión tiene la característica de ser covalente, es decir, que forma el tipo de enlace químico más fuerte y estable que existe. Precisamente por esto, las proteínas pueden ser muy grandes y no perder estabilidad, siempre y cuando se las mantenga en las condiciones óptimas de funcionamiento. Esto es muy bueno porque, a pesar de suponer únicamente el 15% de la masa corporal, son capaces de realizar todas las funciones necesarias para mantener el equilibrio homeostático del cuerpo.

Y para finalizar la parte química, vamos con la forma de estos biopolímeros. Según la secuencia de aminoácidos que se unan para formar las proteínas, es decir, la cadena que monómeros que la forman, se establece la estructura primaria. Puesto que habrá partes que se atraigan o se repelan, esta secuencia primaria se podrá plegar más o menos, obteniendo las formas alfa o beta de la estructura secundaria. Si, además, la proteína en cuestión está formada por formas α y β, la disposición espacial a la que den lugar las atracciones y repulsiones de estas cadenas darán la estructura terciaria. Y si, finalmente, para formar una proteína, hace falta enlazar varios ovillos de estructuras terciarias, se obtendrá la estructura cuaternaria (Fig. 2). Vamos, que una proteína es un lío de moléculas!! :) Sin embargo, “la naturaleza es sabia”, y si esto es así, es porque cada estructura determina la función que ha de cumplir la proteína en cuestión, y no otra. O sea, que tanto lío, mientras sirva para algo bueno, mejor.


Fig. 2. Diferentes estructuras de una proteína.

Insisto tanto en la palabra “función” porque lo importante de estas moléculas son las funciones para las que están diseñadas. Cada proteína se encarga de una función específica y, por ello, se les supone un 100% de efectividad. Tanto es así que, en el momento que falla una proteína, se desencadenan una serie de reacciones que pueden (no siempre) acabar mal para el individuo que tenga el fallo. Esto es igual que lo que nos ocurre a los ingenieros en nuestro trabajo: si no somos capaces de optimizar los componentes de un dispositivo para que funcione perfectamente, el producto que vendamos no servirá de nada. Por eso me gusta comparar las proteínas con la (nano)ingeniería de la biología J.

Las funciones que pueden cumplir las proteínas son muy variadas:

(a)  Protectoras y defensivas. Como comenté anteriormente, los anticuerpos son las proteínas encargadas de desencadenar la respuesta inmunológica ante infecciones y patógenos exteriores. Son los centinelas del organismo (Fig. 3a). Pero también hay proteínas en la sangre, como por ejemplo la fibrina, que hacen de fontaneras, taponando las fugas para facilitar la coagulación y el cierre de las heridas, a fin de que la sangre circule correctamente por el sistema sanguíneo (Fig. 3b).

Fig. 3. (a) Forma típica de un anticuerpo. (b) Malla de fibrina apelotonando glóbulos rojos con agregados de plaquetas.

(b)  Transductoras de señales o reguladoras. Algunas hormonas se comportan como canales de comunicación, encargándose de conectar órganos entre sí para que produzcan otras hormonas u otras sustancias para realizar funciones necesarias en el organismo en ese momento. Por ejemplo, durante el parto se estimula la secreción de oxitocina, que es la hormona que ordena al útero a contraerse y a la vagina a dilatarse para hacer que el bebé nazca.

(c)   Contráctiles. La actina y la miosina son las proteínas encargadas de la contracción y distensión de las fibras musculares (Fig. 4a y b). Por tanto, son las mecánicas del cuerpo y se relacionan con el aumento de masa muscular y con la fuerza que se consigue al entrenar. En este sentido, los suplementos de proteínas no son proteínas en sí, sino aminoácidos que son unidos orgánicamente para acoplar mayor cantidad de fibras a las ya existentes y reforzar las que ya estaban. El entrenamiento estimula que se creen más fibras de estas proteínas, dando lugar al aumento muscular. Eso sí, ojo con el tipo de suplementos que nos tomamos…

Fig. 4. Zoom muscular desde el órgano muscular, propiamente dicho (a) pasando por las microfibras que envuelven los sarcómeros (b) y funcionamiento de la actina y la miosina (c)

(d)  Enzimáticas. Muchas proteínas se comportan como catalizadoras de reacciones. Es decir, que ayudan a que otras reacciones tengan lugar. Este es el caso de enzimas como la sacarasa o la pepsina, encargadas de digerir azúcares o romper enlaces entre aminoácidos, respectivamente.

(e)   Homeostáticas. La homeostasis es el equilibrio total entre los diferentes niveles de sustancias en el organismo, de manera que todo funciona armónicamente. En el momento en que algo falla, hay mecanismos que se ponen en marcha para restablecer el estado de equilibrio. Uno de ellos es el mantenimiento del pH de la sangre. Este valor debe de estar fijado a 7,4. Ni más ni menos. Con la cantidad de toxinas que se generan en las digestiones celulares, hay proteínas encargadas de hacer de tampones de pH para que no haya situaciones de acidosis o alcalosis. Y por lo visto, lo hacen bastante bien…

(f)   Transportadoras. Otras proteínas se crean para transportar paquetes de sustancias hacia otros lugares. En concreto, la hemoglobina fija el oxígeno en su estructura cuando llega a los alveolos pulmonares y lo lleva hasta las células, donde lo libera para que cumpla su función en las funciones celulares.
 Fig. 5. Estructura cuaternaria de la hemoglobina, con 4 formas terciarias diferentes. Las ramificaciones verdes son los grupos “hemo”, encargados de fijar el oxígeno difundido desde los alvéolos pulmonares. El vídeo que se enlaza aquí explica cómo se fija el oxígeno a la hemoglobina, para cumplir la función de oxigenar a las células en su ciclo vital.

(g)  Estructurales. De todas las funciones atribuidas a las proteínas, esta es la más importante. Estos biopolímeros actúan como andamio, como sujeción y forman los pilares de las estructuras del organismo. El colágeno (Fig. 5a) y la elastina son dos tipos de proteínas que compiten por la flexibilidad de los tejidos. Generalmente, la primera se encuentra en las articulaciones y en la dermis, haciendo de sostén de la piel y la elastina se encuentra, sobre todo, en la piel, para hacerla lo más moldeable posible y que no aparezca la flaccidez.

Efectivamente, las arrugas en la piel son debidas, en parte, a la pérdida de colágeno y elastina. Y esto, más tarde o más temprano se nota… O sea, que da igual todas las cremas que nos pongamos, que tarde o temprano se nos verán las arrugas, como a las de Fig. 5b ;). Otra cosa es que haya, por genética, defecto de proteínas como el colágeno en el cuerpo. En ese caso tenemos el síndrome de Ehlers-Danlos, consistente en una poco consistencia de la piel y las articulaciones, dando lugar a, según en qué estadíos, numerosas luxaciones involuntarias. La inestabilidad de las estructuras dérmicas y cartilaginosas las convierte en débiles ante determinados esfuerzos, lo que podría suponer un problema. Pese a ello, si el efecto de la enfermedad no es vital, podrían encontrarse fotos y vídeos curiosos como los de Fig. 5c, foto tomada al hombre más elástico del mundo.

Fig. 5. (a) Fibras de colágeno vistas a microscopio SEM. (b) Efecto de la disminución del colágeno con la edad. (c) Síndrome de Ehlers-Danlos en el hombre más elástico del mundo (Abstenerse de ver el vídeo quienes sean sensibles a estas cosas,,,).

Pero bueno, una vez visto esto, ¿cómo se crea una proteína? ¿Sale de la nada o hay algo que las fabrica?

Pues nada había antes del big-bang, pero ahora hay de todo. Y, concretamente, hay unas proteínas que generan otras proteínas en base a la lectura de un gen. Digamos que los genes son trocitos de ADN que llevan toda la información necesaria para codificar una función, en este caso. Por tanto, hay proteínas que leen el gen y lo codifican. En base a eso, hay otras proteínas que unen los aminoácidos correspondientes a cada trío de bases para formar las proteínas deseadas, tal y como se muestra en el vídeo posterior a este párrafo. Tras ello, la proteína madura y adquiere la forma necesaria para funcionar como se le requiere (ver vídeo tras este párrafo). Esta misma técnica, en laboratorio y en condiciones de temperatura y humedad adecuadas, es la que se emplea para conseguir las proteínas correspondientes para hacer experimentos.

Y, según esto, ¿para qué puede servir esto en la ingeniería biomédica o en la medicina?

Pues esto es algo que se viene haciendo en los últimos años. La idea sería corregir enfermedades a base de actuar sobre el ADN dañado del individuo enfermo que, al fin y al cabo, es donde se encuentra la base de los problemas. Por resumir, lo que se haría sería coger el gen bueno del ADN e introducirlo en el ADN de determinadas bacterias o virus para que ellos lo repliquen. La reproducción de estos seres es muy rápida e, incluso, si se introducen en un ser vivo, pueden llegar a modificar su ADN introduciendo parte del suyo (esto es lo que hacen los virus para infectarnos). Por tanto, se “vacunaría” al ser vivo enfermo y se dejaría que el virus infectara todas sus células con el gen bueno, lo que daría lugar a la recuperación total, teóricamente y a la eliminación del virus por el propio sistema inmunitario, como se hace normalmente con la gente que se vacuna.

Como no, esto está actualmente en el laboratorio y se van haciendo pruebas continuamente, para demostrar la veracidad de estos experimentos. Pero no cabe la menor duda de que las tendencias en curación del futuro pueden pasar, nuevamente, por aprovechar la nanotecnología, bien natural o bien sintética, para poder abordar estas cuestiones. Esperemos poder asistir a los comienzos, al menos, de este tipo de terapias, ya que es muy posible que sean una auténtica revolución.

Para finalizar, si tenéis 8 minutos de tranquilidad, os invito a ver la sección de vídeos de más abajo, el vídeo “The inner life of a cell”, donde se encuentra una recreación de lo que ocurre en el interior de una célula ante una respuesta inflamatoria. Se explican los mecanismos que dan lugar a que los leucocitos se introduzcan en el tejido celular para curar las inflamaciones. El título del vídeo de este párrafo os llevará a la versión explicada del vídeo, como no, en inglés ;).  Se trata de una recopilación de algunas de las funciones que os he comentado en esta entrada , para que veáis cómo se encadenan entre ellas.

             Espero que os haya gustado, y que hayáis aprendido un poco más sobre las proteínas. Ni qué decir tiene que cualquier aportación que queráis que se refleje será bien recibida!!

¡¡Hasta la próxima entrada!! :D

Besos y abrazos.