Nacimiento, vida, obra y muerte de las proteínas

Conocimientos básicos para la clase "Síntesis de Proteínas" de la cátedra de genética médica.


Por: Edwin Francisco Herrera Paz. 
Una de las propiedades de los seres vivos es la fractalidad, refiriéndonos con esto a que ciertos patrones y comportamientos en un nivel de complejidad se repiten en los otros niveles. Para el caso, nuestro organismo puede ser considerado como compuesto por poblaciones celulares. Cada célula nace y se desarrolla en un microambiente que es su hogar relacionándose con otras células de diversas formas. A las vecinas las unen relaciones estrechas producidas por el contacto directo. A las células pertenecientes a la misma comunidad celular las unen mensajes químicos (mediante substancias llamadas parácrinas), y las que se encuentran en sitios lejanos se relacionan mediante substancias de señalización de tipo hormonal, o por medio de mensajes eléctricos (impulsos nerviosos).

Es llamativo que el correcto funcionamiento de un grupo celular –que  forma un órgano– es necesario para el correcto funcionamiento de otros grupos celulares. Por ejemplo, cuando los glomérulos renales fallan se produce acumulación de substancias tóxicas que interfieren con el funcionamiento del organismo completo. Y así vemos que la interdependencia no se limita a las sociedades humanas. De la misma manera en la que la actividad económica generadora de bienes (y también de contaminantes) en una región del mundo afecta a otra muy alejada, los diferentes componentes de organismos biológicos pluricelulares dependen unos de otros, solo para mencionar un ejemplo.

El siguiente video muestra un neutrófilo (célula blanca de la sangre) persiguiendo una bacteria invasora que aparece como dos pequeños círculos. Para ello, se desplaza entre los glóbulos rojos circundantes hasta atrapar y comerse al inquilino no deseado. Bon apetite.

La vida de una célula desde su nacimiento y muerte puede llegar a ser interesante –y hasta apasionante para un tipo de humano llamado biólogo celular–, pero en esta ocasión escribiré de un nivel de complejidad aun menor: el de las proteínas.

Al igual que las células son los pobladores de los organismos pluricelulares, las proteínas son las habitantes de ese mundo llamado célula. Para todas las proteínas la célula es su madre y su nodriza, la  que las vio nacer, su comunidad, y para la mayoría, su único hogar; el sitio donde se desarrollan dramas de diferente naturaleza que hacen las delicias de esos otros especímenes humanos llamados biólogos moleculares.

Nosotros los seres humanos, como todos los organismos biológicos, nacemos, crecemos, nos relacionamos, trabajamos, envejecemos y morimos, pero todas estas cosas también acontecen para esos diminutos seres llamados proteínas. Desde luego, esto nos hace reflexionar sobre el concepto limitado que tenemos acerca de lo que llamamos “seres vivos.” Para nosotros los humanos las células son seres vivos, pero el rango de acción del término debería ampliarse para incluir esas moléculas. De hecho, antes de la existencia misma de la célula nuestra tierra debió haber estado plagada de moléculas independientes, con vida propia, y de manera equivocada hemos llamado a ese planeta tierra del tiempo que antecede a la aparición de la célula, mundo prebiótico. 

Pero, ¿Qué son las proteínas? Son simplemente moléculas compuestas por pequeñas unidades llamadas aminoácidos. Hay en total 20 diferentes tipos de aminoácidos conformando las proteínas. Cada aminoácido tiene propiedades físico-químicas particulares. Algunos se llevan bien con el agua (hidrofílicos), mientras a otros no les gusta bañarse (hidrofóbicos). Algunos tiene cargas negativas y en otros predominan las cargas positivas.

En las proteínas los aminoácidos se relacionan unos con otros formando cadenas (polímeros). El orden o secuencia que siguen los aminoácidos en la cadena determina la forma y las fuerzas de superficie que adquirirá la proteína. Y son precisamente la forma y las fuerzas de superficie la que le dan a cada proteína su personalidad, incluidas las relaciones que tendrá a lo largo de su vida con otras proteínas y su actividad laboral.

Nacimiento de una proteína

Los planos que indican el orden de los aminoácidos en una proteína determinada se encuentran escritos en otro tipo de molécula que recibe el nombre de ácido desoxirribonucleico (ADN). Específicamente, la pequeña parte del ADN que contiene las instrucciones para la síntesis de una proteína específica se denomina gen.

Pues bien. Antes del nacimiento de una molécula de proteína, la actividad dentro de la célula es intensa. El número de moléculas de proteína de una determinada clase que deberán nacer en un periodo de tiempo se encuentra cuidadosamente planificado. Hay proteínas encargadas de esta planificación. Algunas de ellas siempre se encuentran activas dentro de la célula. Otras, reciben la orden de activarse mediante señales que se originan desde fuera de la célula, pero siempre todas se encuentran trabajando orquestadamente. Estos son los factores de transcripción y otras proteínas reguladoras que determinarán si un gen va a ser leído, y si es así, a qué ritmo. 

Una vez que este conjunto inicial de proteínas decide la cantidad de una proteína determinada que deberá ser sintetizada, entra en juego otra proteína: una enzima compleja formada por muchas proteínas más pequeñas, cada una con una labor y que en conjunto se denomina ARN polimerasa. El trabajo de de la ARN polimerasa es crucial. Deberá copiar la información del gen en otra molécula llamada ácido ribonucleico. Verán, el ADN es una molécula de gran tamaño que se encuentra resguardada dentro del núcleo celular que es el centro de almacenamiento de información de la célula. El gen solo constituye una pequeña porción de la información total del ADN y para que esta información pueda salir del nucleo debe ser copiada en un ARN.

La ARN polimerasa comienza a efectuar copias fieles de la información del gen en las pequeñas moléculas de ARN cuyo apellido es “mensajero” por razones obvias. La velocidad con la que la ARN polimerasa construye estos mensajeros depende de lo que previamente decidieron los factores de transcripción. El mensaje con la información deberá entonces salir del núcleo hacia el citoplasma de la célula, donde será leído por otras proteínas que se encargarán de fabricar a las nuevas, nacientes proteínas. Pero, ¡Un momento! El camino hacia afuera está minado. Los mensajeros están siendo destruidos por otras proteínas llamadas nucleasas, por lo que el mensaje deberá ser depurado y protegido antes de salir del núcleo.

El video a continuación muestra el proceso de copia del contenido de un gen en un ARN mensajero en el proceso denominado “transcripción.” Se muestran los cambios que debe sufrir la molécula de ARN para protegerse de las nucleasas: la adición de un sombrero y una cola. ¡Todo un disfraz!

No todos los mensajeros logran salir del núcleo. Los que sí lo logran entran entonces a la fábrica de proteínas, denominada ribosoma, una compleja estructura construida a su vez de proteínas y de otro tipo de ARN llamado ribosomal. Es en el ribosoma donde una gran fuerza laboral (también formada de proteínas) se encargará de desenvolver los planos, leer el mensaje y transformarlo en una secuencia específica de aminoácidos enlazados unos con otros mediante fuertes enlaces covalentes que formarán la recién nacida proteína. Pero esta labor no podría ser efectuada sin la ayuda del traductor.

El código genético es una especie de traductor o diccionario. El mensaje es leído en el ribosoma, pero las únicas que entienden este mensaje y por ende decidirán que aminoácido poner en la cadena creciente de proteína son una moléculas llamadas ARN de transferencia. Estas moléculas son relativamente pequeñas y de diferentes tipos, y cada una carga un aminoácido que depositará en la cadena creciente si así lo indica el mensaje. Por lo tanto, los ARN de transferencia son, de hecho, el mismísimo código genético. Finalmente, la manufactura de la proteína termina exitosamente saliendo del ribosoma. Pero este es solo el comienzo de la vida de la proteína pues al salir del ribosoma aún es inmadura. En esta etapa, es una simple cadena de aminoácidos (polipeptídica).

El siguiente video muestra el proceso de lectura del ARN mensajero en el ribosoma, conocido como traducción.

Para que una proteína pueda realizar su trabajo debe sufrir una serie de cambios. Para comenzar, la hebra de aminoácidos deberá plegarse para adquirir finalmente una configuración tridimensional. Esto ocurre en gran parte de manera espontanea. Los aminoácidos hidrofóbicos, por ejemplo, son repelidos por el agua y se esconden orientándose hacia el centro formando de esa manera el núcleo de la proteína. Algunos aminoácidos positivos de una parte de la cadena son atraídos por aminoácidos negativos de otra región, y así por el estilo. De esa manera la proteína adquiere la forma más estable desde el punto de vista termodinámico.

Pero existen diversas formas estables de la proteína, y para que esta sea plegada de la manera correcta necesita de la ayuda de otro grupo de proteínas llamadas chaperonas. Las chaperonas se unen a la recién nacida y le ayudan a plegarse en su configuración final. Más adelante veremos que las chaperonas acompañarán y ayudarán a otras proteínas a lo largo de sus vidas. No solamente son las nodrizas de estas proteínas sino también sus médicos, ayudándolas a plegarse de nuevo cada vez que se lesionan.

El siguiente video muestra cómo se pliega una proteína hasta adquirir su forma final. Todo el proceso tarda unos cuantos milisegundos.

La maduración de la proteína incluye diversos procesos, entre los que se encuentran la adición de moléculas de azúcares o de lípidos que le ayudarán a realizar su función, la señalización hacia su destino final dentro o fuera de la célula, y la asociación con otras proteínas. Algunas proteínas comienzan a laborar desde que nacen. Otras, nacen inactivas a menos que la célula o alguna célula distante requiera de su funcionamiento, para lo cual se le deben adicionar otras moléculas (como grupos fosfato), asociarse con otras proteínas, o simplemente ser partida en dos. ¿Y a fin de cuentas, a qué se dedican las proteínas? Pues casi el 100% de todas las funciones del organismo son realizadas por proteínas. Hay algunas que sirven de sostén para los tejidos, llamadas proteínas estructurales. Otras, sirven para llevar señales, transportar substancias, metabolizar alimentos y diversos tipos de compuestos químicos, controlar ciclos, y en fin, el proteoma humano cuenta con alrededor de 100,000 diferentes tipos de proteínas trabajando constantemente y sin cesar.

Este video le muestra una pequeñísima parte de la labor que se lleva a cabo en el exterior y el interior de una célula blanca (leucocito) en su proceso de migración de la sangre hacia los tejidos. El amiguito azul, gordo y redondo con el par de patitas caminando por la cuerda es una vesícula remolcada por una molécula de la proteína denominada "quinesina." Dentro de esta vesícula se transportan otras proteínas donde la célula las necesita.

 
Las proteínas son un modelo de trabajo en equipo. Es rara la proteína que trabaja sola y generalmente se le ve trabajando en conjunto con otras proteínas. Algunas, tienen una región que se especializa en unirse a otra u otras proteínas con las que se ensambla cual pieza de rompecabezas para formar sofisticadas máquinas moleculares. Otras, forman parte de una línea de producción transformando substancias en pasos secuenciales. Tal es el caso de las rutas enzimáticas.

Pero las proteínas se enferman. Pierden su configuración normal con el paso del tiempo. Se desnaturalizan. Su forma ya no es adecuada. Muchas veces son dañadas por verdaderos proyectiles balísticos, como los electrones viajando a altas velocidades arrojados por los radicales libres y otras especies reactivas de oxígeno. O por iones positivos causados por la disminución del Ph, o simplemente por el deterioro normal producido por el paso del tiempo. Estas proteínas dañadas son reparadas en muchas ocasiones por las chaperonas, los médicos en el mundo de las proteínas.

Muerte de las proteínas

Sin embargo, si una proteína ha acumulado un exceso de daños, un complejo de proteínas se encarga de evaluarla y realizar el equivalente a la eutanasia en el mundo molecular. La enferma es marcada con otra proteína llamada ubiquitina, y esta etiqueta indica que está lista para terminar sus días. La ubiquitina permite que la proteína entre a una estructura llamada proteasoma, que está llena de verdugos proteínicos, unas substancias llamadas proteasas que descuartizan a la proteína en muchísimos pedazos.

Este video describe el proceso de descuartizamiento o reciclaje de las proteínas. RIP.

Muchos de los fragmentos son completamente degradados hasta la forma de aminoácidos libres que serán utilizados para la síntesis de otras proteínas. No obstante, algunos fragmentos tienen otro destino: serán ensamblados en unas proteínas llamadas HLA de la clase I. Luego del ensamblaje, viajan hasta la superficie celular y se anclan a la parte exterior de la membrana. La exhibición de estos pedazos de proteína tiene el objetivo primordial de entrenar al sistema inmune para que aprenda a reconocer lo propio. ¡Increíble! Aun después de muertas esta pequeñas no dejan de ser útiles.

Y es así como transcurre la vida de estas moléculas. Las moléculas que nos otorgan la vida son a la vez verdaderos seres vivos diminutos que trabajan por nosotros día y noche y a toda hora, sin descanso. Al fin y al cabo nosotros, como todos los seres vivos en nuestro planeta, estamos construidos de proteínas. Saludos.