El gran catálogo de las proteínas humanas descubre 193 desconocidas hasta ahora

La lista facilitará el trabajo de los investigadores. Los nuevos hallazgos indican que el funcionamiento de los genes es más complejo de lo que se creía

Los científicos están más cerca que nunca de conseguir un «catálogo» de las proteínas, unas moléculas muy diversas que tienen un papel fundamental en el funcionamiento de todas las células, tejidos y órganos de los Seres Vivos.

Después de que el «Proyecto Genoma Humano» consiguiera en 2003 registrar el conjunto de los genes humanos, este jueves 29, un grupo internacional de investigadores de la Universidad Johns Hopkins (Estados Unidos) y el Instituto de Bioinformática de Bangalore (India) publicará en Nature los resultados que le han permitido elaborar uncatálogo inicial del conjunto de las proteínas humanas o «proteoma».

«Puedes pensar en el cuerpo como una enorme biblioteca en la que cada proteína es un libro», ha dicho el Doctor Akhilesh Pandey, de la Universidad Johns Hopkins. «La dificultad es que no tenemos un catálogo completo que nos diga qué libros están disponibles ni dónde encontrarlos. Creemos que ahora tenemos un buen primer borrador de este catálogo».

Muchos investigadores consideran que tener catalogadas a las proteínas humanas, y saber en qué lugar están, puede ser aún más útil que tener a los genes humanos registrados. La razón es que los genes tienen la información necesaria para producir o codificar proteínas, como si fueran los planos de un edificio en construcción, pero las proteínas son a la vez los ladrillos y los albañiles, ya que forman parte de la estructura de las células y llevan a cabo la gran mayoría de sus funciones. Por ello, este catálogo puede tener mucho interés en investigaciones biomédicas.

Más complejo de lo que se pensaba

Además se ha producido un hallazgo muy sorprendente que pone en duda lo que se sabe por ahora del ADN. Y es que entre las proteínas caracterizadas, han aparecido 193 «producidas» o expresadas en genes que en teoría no deberían ser capaces de hacerlo. «Esta es la parte más excitante de este estudio, encontrar más complejidades en el genoma», dice Pandey, ya que esto «significa que no entendemos completamente cómo la célula lee el ADN, porque claramente esas secuencias codifican para proteínas».

Los autores del artículo han identificado más de 30.000 proteínas codificadas por 17.294 genes, lo que constituye el 84 por ciento de los genes capaces de expresar o «producir» proteínas. Para ello, los científicos han tomado muestras de 30 tipos de tejidos humanos y han extraído las proteínas allí presentes. A continuación, las han «cortado» con enzimas, moléculas que a veces son capaces de actuar como tijeras químicas, para fragmentar a las proteínas en unidades menores, llamadas péptidos. Por último, analizaron la abundancia y la composición de esos péptidos.

Una base de datos para científicos

«Al generar una base de datos de proteínas, le hemos facilitado a otros investigadores que identifiquen las proteínas en sus experimentos», ha asegurado Pandey. Sin embargo, aclara que estudiar las proteínas es más complicado que estudiar los genes, porque las estructuras y las funciones de estas moléculas son complejas y diversas.

De hecho, Pandy cree que el proteoma humano es tan extenso y complejo que el catálogo de los investigadores nunca estará completo del todo.

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Identifican una proteína clave en la regeneración nerviosa tras una lesión

Una lesión en el sistema nervioso periférico puede ser muy grave, ya que los pacientes experimentan síntomas como dolor o dificultad para mover brazos y piernas

 

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Un equipo de investigadores de Instituto Hotchkiss Brain de la Universidad de Calgary (Canadá) ha identificado un mecanismo esencial para promover el crecimiento de las células nerviosas dañadas por un traumatismo. De hecho, según los científicos, gracias al uso de esta proteína sería posible restaurar las conexiones después de la lesión. El estudio se publica en «Nature Communications».

«Hemos visto que una proteína llamada retinoblastoma (Rb) está presente en las neuronas adultas», explica Doug Zochodne, coordinador del ensayo. Habitualmente, señala, dicha proteína parece actuar como un especie de ‘freno’ para prevenir el «crecimiento incontrolado del nervio». Ahora, dice, «hemos demostrado que mediante la inactivación de Rb podemos liberar el ‘freno’ y lograr que se reactive el crecimiento de los nervios y que éste sea mucho más rápido».

Los investigadores decidieron Zochodne buscar la presencia de Rb en las células nerviosas debido a su conocido papel en la regulación del crecimiento de las células en otras partes del cuerpo. «Sabemos que el cáncer se caracteriza por un crecimiento celular excesivo y también sabemos que Rb funciona a menudo de forma anormal en el cáncer -afirma Zochodne-. Así que si el cáncer es capaz de liberar este ‘freno’ e incrementar así el crecimiento celular, pensamos si sería posible imitar esta misma acción en las células nerviosas y fomentar su crecimiento en el lugar deseado».

Sin efectos adversos

En una primera fase los investigadores fueron capaces de desactivar la proteína Rb durante un corto periodo de tiempo y no observaron resultados negativos. Por ello creen que esta vía podría algún día usarse como un tratamiento seguro para los pacientes que sufren daño neuronal.

Hasta ahora, el equipo de Zochodne sólo está investigando esta técnica en el sistema nervioso periférico (los nervios periféricos conectan el cerebro y la médula espinal con el cuerpo y sin ellos no hay movimiento ni sensibilidad). Una lesión en el sistema nervioso periférico puede ser muy grave, ya que los pacientes experimentan síntomas como dolor, hormigueo, entumecimiento o dificultad para coordinar las manos, pies, brazos o piernas.

Por ejemplo, la neuropatía diabética es más común que la esclerosis múltiple, la enfermedad de Parkinson y la esclerosis lateral amiotrófica juntas. Más de la mitad de los diabéticos tienen alguna forma de dolor de los nervios y en la actualidad no existe un tratamiento para detener el daño o revertirla.

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Crean músculo que se cura solo y funciona como uno real

Científicos modificaron genéticamente las fibras del músculo para crear fluorescencia y así poder ver los progresos.

Un tejido blando que se contrae con fuerza y rapidez y que además tiene la capacidad de curarse. Se trata de un músculo creado en el laboratorio que, por primera vez, se integra bien en un ser vivo.

Científicos de la Universidad de Duke, en Carolina del Norte, Estados Unidos, lograron hacer crecer el tejido que se ve y funciona como uno real y que, gracias a su habilidad de autorrepararse, en un futuro podría utilizarse en tratamientos de medicina regenerativa.

No obstante, hasta ahora sólo se han hecho pruebas en ratones.

Los resultados de este trabajo, que está en una fase muy temprana, fueron publicadod en la revista Proceedingsof the National Academy of Sciences.

Para el equipo de investigación, el éxito estuvo en crear el ambiente perfecto para que creciera el músculo: fibras musculares contráctiles bien desarrolladas y una piscina de células madre inmaduras, conocidas como células satélite, que se pueden convertir en tejido muscular.

Cada músculo tiene de reserva células satélite, listas para activarse cuando hay una lesión y así empezar el proceso de regeneración. Las células esperan el llamado para trabajar en una especie de nichos.

«Sólo implantando células satélite o músculos menos desarrollados no funciona tan bien», explicó Mark Juhas, uno de los investigadores del estudio. «El músculo bien desarrollado que hicimos ofrece nichos en donde pueden vivir las células satélites y, cuando sea necesario, restaurar la musculatura y su función».

Para comprobar la eficiencia del músculo, los expertos realizaron una serie de pruebas en el laboratorio. Con la estimulación de impulsos eléctricos, pudieron verificar la fuerza contráctil, que era diez veces más fuerte que en cualquier músculo diseñado anteriormente.

Y después de dañarlo con una toxina, comprobaron cómo se podía reparar a sí mismo utilizando células satélites.

El siguiente paso fue probarlo en un ser vivo.

Como uno más

Cuando se injertó en ratones, el músculo pareció haberse integrado bien con los otros tejidos y empezó a hacer el trabajo requerido.

Los expertos modificaron genéticamente las fibras musculares para que producieran fluorescencia durante la contracción muscular. Esto les permitió ver cómo la fluorescencia aumentaba a medida que el músculo se hacía más fuerte.

«Es la primera vez que un músculo diseñado se contrae con la misma fuerza que el músculo esquelético de un recién nacido«  Profesor Nenad Bursac, jefe de la investigació

«Pudimos ver y medir en tiempo real cómo los vasos sanguíneos crecían dentro de las fibras musculares implantadas, madurando hasta igualar la fuerza de sus equivalentes nativos», explicó Juhas.

Sin embargo, los especialistas aclararon que se necesitan hacer más pruebas antes de dar el salto a seres humanos.

El jefe de la investigación, el profesor Nenad Bursac, dijo que el músculo creado «representa un gran avance» para la ciencia.

«Es la primera vez que un músculo diseñado se contrae con la misma fuerza que un músculo esquelético de un recién nacido», agregó.

El profesor Mark Lewis, de la universidad de Loughborough de Reino Unido y experto en diseño de tejidos de músculo esquelético, dijo hasta ahora muchos investigadores han logrado «crecer» músculos en el laboratorio que se pueden comportar de una forma parecida a los que hay en el cuerpo humano.

«No obstante, el trasplante de estos músculos a una criatura viviente y que siga funcionando como si fuera uno nativo es llevar el trabajo a un siguiente nivel», señaló.

En la comunidad científica hay muchas esperanzas de que las células madre, que pueden transformarse en cualquier tipo de tejido, revolucione la medicina regenerativa.

Hasta ahora los científicos han logrado crear mini hígados y riñones en el laboratorio con células madre. Otros se han enfocado en reparar el músculo del corazón con estas células.

Pero todavía quedan muchos años para que haya disponibles curas y tratamientos.

Una proteína que acelera el envejecimiento frena el cáncer

• El hallazgo de la prelamina A podría inspirar nuevas terapias
• La activación del supresor tumoral más estudiado es la proteína p53
• El riesgo de aparición de tumores aumenta con la edad

 

Un trabajo científico, fruto de varios años de colaboración entre el Instituto de Medicina Oncológica y Molecular de Asturias (Imoma) y la Universidad de Oviedo, y que ha contado con la participación de científicos ingleses y alemanes, ha revelado que la prelamina A, una proteína que causa envejecimiento acelerado, es capaz de frenar la progresión de los tumores malignos.

Este hallazgo supone un avance para la comprensión de la relación entre los mecanismos que causan el envejecimiento y los que desencadenan el cáncer. Los resultados obtenidos se publican este martes en la revista ‘Nature Communications’.

Las conclusiones de esta publicación podrían inspirar nuevas terapias contra el cáncer y, a su vez, refuerzan las esperanzas depositadas en algunas de las estrategias que están siendo ensayadas para combatir el envejecimiento acelerado.

El trabajo ha sido codirigido por Carlos López-Otín, Catedrático de la Universidad de Oviedo, y Juan Cadiñanos, director del Laboratorio de Medicina Molecular del Imoma, y la labor experimental ha sido realizada en su mayor parte por Jorge de la Rosa de Saa, becario predoctoral de la Fundación María Cristina Masaveu Peterson.

El proyecto ha sido financiado también por la Fundación Botín, el Ministerio de Economía y Competitividad, la Wellcome Trust, la Obra Social Cajastur y la Fundación Centro Médico de Asturias.

El envejecimiento y el cáncer son procesos íntimamente relacionados, pero las conexiones entre ellos son complejas. Así, el riesgo de aparición de tumores aumenta con la edad y, sin embargo, algunos de los mecanismos que favorecen el envejecimiento también frenan la aparición y desarrollo de tumores.

Un ejemplo claro de estos mecanismos es la activación del supresor tumoral más estudiado, la proteína p53. El trabajo realizado reveló que otra proteína, conocida como prelamina A y responsable del envejecimiento acelerado que experimentan los pacientes con progeria, es capaz de impedir el avance de los tumores malignos. Para ello, los investigadores asturianos utilizaron mosaicos: ratones modificados genéticamente que portan prelamina A en la mitad de sus células. «Los ratones con prelamina A en todas sus células desarrollan envejecimiento acelerado y no viven más de 4- 5 meses, lo cual dificulta mucho el estudio del cáncer, ya que no da tiempo a que la enfermedad se desarrolle» ha indicado Jorge de la Rosa.

«Los ratones mosaico, sin embargo, viven lo mismo que los ratones normales, y mantienen un 50% de células con prelamina A en sus tejidos durante toda su vida, lo cual nos ha permitido estudiar el efecto de esta proteína sobre el cáncer», ha comentado Juan Cadiñanos.

Hallazgos

El estudio reveló dos importantes hallazgos. El primero fue que los mosaicos son totalmente sanos, sin presentar ninguna de las alteraciones que tienen los ratones con progeria causada por prelamina A. «Estos resultados invitan a albergar esperanzas para el tratamiento de los pacientes con envejecimiento acelerado, ya que sugieren que no haría falta corregir los defectos en todas las células, sino probablemente sólo en algunas», ha señalado José María Pérez Freije, de la Universidad de Oviedo.

El segundo hallazgo fue que, aunque los mosaicos desarrollaban el mismo número de tumores que los ratones normales, sin embargo, presentaban un número muy reducido de tumores malignos: aquellos capaces de romper las barreras que los mantienen confinados e invadir los tejidos circundantes. Los investigadores procedieron a estudiar más a fondo este fenómeno en células tumorales humanas.

«Observamos que, al inducir la producción de prelamina A en células obtenidas de tumores malignos humanos se reducía drásticamente su capacidad invasiva. Esto ocurría con células humanas de cáncer oral, de pulmón y de mama», ha explicado Rubén Cabanillas, del Imoma.

«Los resultados obtenidos son muy estimulantes desde el punto de vista científico, y podrían conducir al desarrollo y aplicación de nuevas terapias a medio plazo para el envejecimiento acelerado o, incluso, a largo plazo para el cáncer, pero hay que ser conscientes de que los mosaicos que hemos utilizado son un modelo experimental muy útil, pero con características muy particulares, y que las cosas podrían ser diferentes en los pacientes con progeria o cáncer», ha concluido, aunque con cautela, López-Otín.

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El bloqueo de una proteína puede aliviar la enfermedad de Huntington

Unos científicos descubren una molécula asociada a la destrucción de conexiones neuronales

Otro grupo relaciona la Corea con los procesos de limpieza de las células

La enfermedad de Huntington (que antiguamente se llamaba baile de San Vito) es una enfermedad sin cura. Se sabe perfectamente su causa: una mutación de un gen, lo que actualmente permite que los portadores no la transmitan a sus hijos si se someten a un proceso de fecundación asistida eligiendo previamente embriones sanos (lo que se conoce como diagnóstico genético preimplanacional). Pero para quienes ya han nacido con ella –aproximadamente cuatro de cada millón de personas- hay pocas expectativas. Por eso dos trabajos publicados recientemente que explican posibles mecanismos del proceso neurodegenerativo asociado (el primer paso para un tratamiento) son tan importantes para encontrar vías para frenar su desarrollo.

Uno de ellos, aparecido en Nature Medicine, describe el papel de una proteína, la GluN3A, que tiene como función destruir conexiones entre neuronas (lo que se conoce como sinapsis). En las fases de desarrollo del cerebro –hasta el final de la adolescencia- este papel es muy importante, ya que sirve para corregir errores. Pero en adultos casi desaparece. Lo que han visto en ratones investigadores del Centro de Investigación Médica Aplicada (CIMA) de Navarra es que en los animales con la enfermedad genética esta proteína se mantiene. La conclusión para un posible tratamiento es obvia: ensayar si en humanos es igual, ver si se puede bloquear la proteína y esperar así que los trastornos asociados, que en personas son mortales, se detienen o alivian.

El otro trabajo, publicado en otra revista del mismo grupo, Nature Chemical Biology, apunta a otro proceso. Los investigadores del Centro Taube-Koret Center para Investigación en Enfermedades Neurodegenerativas de Gladstone han descrito que en células de ratones enfermos se produce una acumulación de una proteína, la huntingtina, que acaba por inhabilitar las neuronas. Sería algo similar a lo que ocurre con el alzhéimer y las placas de proteína beta-amiloide o los ovillos de proteína tau. De hecho, el hallazgo se ha producido al investigar los procesos de limpieza celular que regulan la destrucción y eliminación de las sustancias que el organismo no necesita en un momento dado. En este caso, el apunte a un posible tratamiento sería reactivar este sistema de limpieza y reciclaje molecular.

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Identifican una proteína clave en un tipo común de cáncer de piel

De izquierda a derecha: Jessica González, Pol Margalef, Erika López, Mar Iglesias, Lluís Espinosa, Fernando Gallardo y Anna Bigas. IMIM

Un equipo del Instituto de Investigaciones Médicas del Hospital del Mar (IMIM), dirigidos por Lluís Espinosa, han identificado una nueva función de la proteína IB, clave en el desarrollo del segundo tipo más común de cáncer de piel, el carcinoma de células escamosas. «Hemos identificado una nueva función de una proteína que regula directamente la actividad de los genes implicados en la diferenciación celular y en el desarrollo del cáncer», explica Espinosa, cuyo estudio, que se publica en Cancer Cell, proporciona una nueva herramienta para el diagnóstico de este tumor y, en el futuro, permitirá la identificación de nuevas dianas terapéuticas para el tratamiento de este tipo de cáncer.

Cada año se diagnostican más de 250.000 nuevos casos de cáncer de piel de células escamosas. Este es el segundo tipo más común de cáncer de piel y se desarrolla en las células escamosas que forman las capas superiores de la piel. El carcinoma de células escamosas se puede desarrollar en cualquier parte del cuerpo, pero es más común en las zonas expuestas al sol. Hasta ahora, no había buenos marcadores clínicos o histológicos para predecir metástasis en este tipo de tumor.

Hasta ahora únicamente se conocía una función de las proteínas del IB. Ahora, dice Espinosa, «hemos descubierto que en el núcleo de los queratinocitos, las células típicas de la piel, y también en el núcleo de fibroblastos, hay una forma diferente de IB que resulta de su unión a otra molécula llamada Sumo (que conduce a la proteína de Sumo-IB) que habían sido observadas anteriormente por otros grupos, pero sin que se describiera su función».

Metástasis

Los investigadores españoles analizaron una cohorte de 112 muestras de pacientes con carcinoma de piel de células escamosas urogenital durante las diferentes etapas de la progresión tumoral. Los resultados mostraron que, en las muestras de tumores invasivos o que habían desarrollado metástasis, la proteína IB había desaparecido desde el núcleo. Esto indicaba que durante el proceso de progresión tumoral, la proteína IB nuclear se pierde y se acumula en el citoplasma.

El hallazgo de esta nueva función de IB en el núcleo de la célula, subraya el investigador catalán, representa un «cambio de paradigma» en este campo, e incluso podría implicar una reinterpretación de algunos estudios publicados anteriormente.

«A pesar de que todavía tiene que ser validado en un número suficiente de pacientes, la detección de esta proteína en las lesiones de la piel podría servir como una herramienta de diagnóstico y predecir el pronóstico del carcinoma de células escamosas», explica Agustí Toll, uno de los autores de este trabajo.

Biomarcador

Pero además de ser un posible biomarcador de pronóstico para el carcinoma de células escamosas, la identificación de los mecanismos que regulan el comportamiento agresivo de los tumores de la piel podría tener un uso terapéutico. Cuando se produce la metástasis, el pronóstico de los pacientes con estos tumores es generalmente pobre y los tratamientos actuales (cirugía, radioterapia y quimioterapia) están vinculados a los efectos secundarios graves, especialmente entre las personas de edad avanzada. «Este descubrimiento podría tener un impacto muy significativo en el tratamiento de este tipo de cáncer cuando logremos identificar los medicamentos que revierten la pérdida de IB nuclear que se observa en el carcinoma de células escamosas», dice Espinosa.

Su objetivo ahora es descubrir los mecanismos que regulan la pérdida de IB nuclear para identificar dianas terapéuticas que podrían ser utilizadas en el futuro para luchar contra el cáncer de la piel. Los investigadores también creen que el nuevo mecanismo podría ser relevante para otros tipos de cáncer.

Identifican una proteína clave en un tipo común de cáncer de piel – Noticias de Salud | abc.es.

¿Cómo viajan las proteínas a través del Aparato de Golgi? |Scitable

El aparato de Golgi transporta y modifica las proteínas en las células eucariotas.¿Cómo han estudiado los científicos los movimientos dinámicos de proteínas a través del aparato de Golgi?

El aparato de Golgi es el orgánulo central de la mediación de la proteína y el transporte de lípidos dentro de la célula eucariota Normalmente, los libros de texto ilustran el aparato de Golgi como algo parecido a una pila de pan de pita. Sin embargo, esta representación no ilustra adecuadamente la naturaleza dinámica de los compartimentos del Golgi (llamados cisternae) o la variedad de morfologías con que el aparato de Golgi se manifiesta en diferentes tipos de células. Podemos aprender mucho simplemente preguntándonos por qué existen siquiera estas estructuras tan diversas. Los investigadores aún no entienden completamente cómo diversas morfologías del Golgi pueden afectar a su función. Sin embargo, los científicos están utilizando actualmente las sutiles variaciones de su morfolofgía entre los diferentes tipos de células para preguntarse cómo se mueven las proteínas a través del aparato de Golgi.

¿Qué sucede con las proteínas mientras se mueven por el aparato de Golgi?

El aparato de Golgi procesa las proteínas realizadas por el retículo endoplasmático (ER) antes de enviarlas a la célula. Las proteínas entran en el aparato de Golgi en el lado orientado hacia el ER (lado cis), y salen en el lado opuesto de la pila, frente a la membrana plasmática de la célula (lado trans). Las proteínas deben hacer su camino a través de la pila de cisternas que intervienen y en el camino serán modificadas y acondicionadas para su transporte a diferentes lugares dentro de la célula (Figura 1). Las cisternas del Aparato de  Golgi varían en número, forma y organización en diferentes tipos de células. La representación esquemática típica de tres grandes cisternas (cis, medial y trans) es en realidad una simplificación. A veces, regiones adicionales se añaden a cada lado, y se llaman la red cis del Golgi cis (CGN, cis Golgi net) y la red trans del Golgi (TGN, trans Golgi net). Estas redes tienen una estructura más variable, incluyendo algunas regiones like-cisternas y en algunas ocasiones regiones vesiculadas.

Figura 1: El aparato de Golgi modifica y ordena las proteínas para el transporte a lo largo de la célula. El aparato de Golgi se encuentra a menudo en estrecha proximidad a la sala de emergencias en las células. Proteína de carga se mueve desde el RE al aparato de Golgi, se modifica en el aparato de Golgi, y se envían a continuación a varios destinos en la célula, incluyendo los lisosomas y la superficie de la célula.

Cada cisterna o de la región del aparato de Golgi contiene diferentes enzimas de modificación de proteínas. ¿Qué hacen estas enzimas? Las enzimas del Golgi catalizan la adición o eliminación de los azúcares de las proteínas de carga (glicosilación), la adición de grupos sulfato (sulfatación), y la adición de grupos fosfato ( fosforilación). Las Proteínas de carga son modificadas por enzimas (llamadas enzimas residentes) ubicadas dentro de cada cisterna. Las enzimas añaden secuencialmente las modificaciones pertinentes a las proteínas de carga. Algunas modificaciones mediadas por el Golgi actúan como señales para dirigir las proteínas a sus destinos finales dentro de las células, incluyendo los lisosomas y la membrana plasmática. ¿Qué sucede cuando hay defectos en la función del Golgi? Los defectos en varios aspectos de la función de Golgi pueden dar como resultado trastornos congénitos de glicosilación, algunas formas de distrofia muscular, y pueden contribuir a la diabetes, cáncer y la fibrosis quística (Ungar 2009).

¿Cómo se mueven las proteínas de carga entre las cisternas del Golgi?

Los científicos han propuesto dos explicaciones posibles: el modelo de transporte vesicular y el modelo de maduración cisternal. Curiosamente, ambos modelos explican las condiciones de estado estacionario del aparato de Golgi y los procesos, sin embargo lo hacen muy diferente (Figura 2). En 2002 James Rothman y Randy Schekman ganaron el Premio Lasker por su trabajo pionero que detalla los sistemas de vesícula y membrana que hacen que la secreción sea posible en las células eucariotas. Estos dos científicos trabajaron de forma independiente utilizando diferentes organismos modelo y diferentes enfoques biológicos (Strauss 2009). Juntos lograron un fuerte evidencia de que hay moléculas y procesos comunes que participan en la fusión de membranas y la fisión en eucariotas. Rothman y sus colegas reconstituyeron bioquímicamente las membranas de Golgi de mamíferos, aislaron vesículas capaces de pasar de una cisterna a otra. Como un enfoque diferente, Schekman y sus colegas utilizaron la genética de levaduras para identificar y caracterizar muchas de las proteínas importantes que participan en la secreción de este eucariota unicelular. Con el tiempo Rothman y el trabajo de Schekman convergieron en varias moléculas importantes que participaron en la formación y fusión de vesículas, lo que condujo a lo que se dio en llamar el modelo de transporte vesicular.

Figura 2: Dos modelos de tráfico de proteínas a través del Golgi
(A) El modelo de la maduración cisternal de movimiento de la proteína a través del aparato de Golgi. Como una nueva cisterna cis se forma atraviesa la pila de Golgi, cambiando a medida que madura al acumular, entonces enzimas trans medial a través de vesículas que se mueven de adelante a principios de cisternas (tráfico retrógrado). (B) El modelo de transporte vesicular, donde cada cisterna permanece en un solo lugar con enzimas que no cambian, y las proteínas se mueven hacia adelante a través de la pila a través de vesículas que se mueven desde temprano para luego cisternas (tráfico anterógrada).

Modelo de Transporte vesicular: Evidencias

Una de las principales observaciones del grupo de Rothman fue que las vesículas que se formaron en el aparato de Golgi trasladaron proteínas de carga entre las cisternas de la cara cis a la cara trans. Estas observaciones apoyan el modelo de transporte vesicular originalmente desarrollado y defendido por George Palade y Marilyn Farquhar (Farquhar y Palade, 1998.) El modelo de transporte vesicular postula que las cisternas de Golgi son compartimentos estables que albergan ciertas enzimas de modificación de proteínas que funcionan para añadir o eliminar los azúcares, añadir grupos sulfato, y realizar otras modificaciones. Las vesículas llegan a cada cisterna que llevando proteínas de carga, que luego son modificadas por las enzimas residentes ubicados dentro de esa cisterna. A continuación, nuevas vesículas que llevan proteínasde carga brotan de la cisterna y viajan a la siguiente cisterna estable, donde la siguiente serie de enzimas adicionales procesa las proteínas de carga (Rothman y Wieland, 1996).

El Modelo de maduración cisternal

Antes de los trabajos de Palade, Farquhar, Rothman y otros, que analizaron las proteínas de vesículas en movimiento entre cisternas de Golgi, los científicos pensaban que cada cisterna del Golgi era transitoria y que las cisternas se trasladaban desde la cara cis a la trans del Golgi, cambiando con el tiempo. El movimiento de las proteínas como pasajeros en cisternas a través de la pila de Golgi se denomina el modelo de maduración cisternal. Este modelo propone que las enzimas presentes en cada cisterna individual cambian a medida que pasa el tiempo, mientras que las proteínas de carga permanecen en el interior de la cisterna. Antes del trabajo de Rothman en vesículas, este modelo tuvo un amplio apoyo. Sin embargo, una vez que los científicos identificaron un gran número de pequeñas vesículas de transporte que rodean el aparato de Golgi, los investigadores desarrollaron el modelo de transporte vesicular como una actualización de ésta. Sin embargo, como suele ocurrir en la ciencia (y la moda), las viejas ideas a veces regresan de nuevas maneras.

 

¿Qué nueva evidencia apoya el modelo de maduración cisternal?

En la década de 1990 los científicos estudiaron varios tipos de células para ampliar nuestra comprensión del Golgi. Alberto Luini y sus colegas utilizaron células de mamífero en cultivo para investigar cómo los grandes complejos de proteínas se movieron a través del aparato de Golgi. Los investigadores utilizaron inmunomicroscopía seguir el camino que seguían rígidos trímeros de procolágeno, en forma de barra de unos 300 nm, a través del Golgi en fibroblastos de mamífero. Luini y sus colegas observaron procolágeno sólo dentro de cisternas del Golgi, y nunca dentro de las vesículas, que son normalmente mucho más pequeñas (<100 nm de diámetro) que el procolágeno (Bonfantiet al . 1998). Otros investigadores, como Michael Melkonian y sus colegas, observaron resultados similares en el estudio del aparato de Golgi de las algas. Varios tipos de protistas flagelados construyen y exportan escamas que se adhieren a la superficie celular de estos organismos. Las escamas tienen diversos tmaños y formas pero muy definidos. Los investigadores observaron que en diferentes especies de algas que exportan las muy grandes (1,5-2 mm) y las de tamaño moderado (~ 40 nm), las escamas se encontraron consistentemente dentro de las cisternas, pero no en el transporte de vesículas (Becker, y Bolinger Melkonian 1995; Becker & Melkonian 1996). Los resultados de estos diversos tipos de células confirman el modelo de maduración cisternal de transporte de proteínas a través del aparato de Golgi.

¿Cuáles fueron las vesículas que Rothman descubrió en el aparato de Golgi? El modelo de maduración cisternal actual propone que estas vesículas son vehículos de transporte para las enzimas del Golgi y no para las  proteínas de carga. Las vesículas retrógradas que viajan hacia atrás en el aparato de Golgi brotan de una cisterna para transferir enzimas a las cisternas más jóvenes. Mientras tanto, otros vesículas, procedentes de cisternas mayores, llevan las enzimas necesarias para los próximos pasos en la modificación de proteínas (Glick y Malhotra 1998; Pellham 1998).

¿Qué modelo es más preciso?

Hoy en día la mayoría de los investigadores coinciden en que la evidencia favorece el modelo de maduración cisternal del Golgi (EMR et al. 2009). La evidencia en apoyo de este modelo proviene de los laboratorios de Benjamin Glick y Akihiko Nakano, que al mismo tiempo lleva a cabo experimentos que demostraron sorprendentemente el proceso de maduración cisternal. En un ensayo visual impresionante, ambos laboratorios utilizaron la microscopía de fluorescencia de células vivas para observar directamente la maduración cisternal del Golgi en Saccharomyces cerevisiae (levadura de panadero) (Figura 3) (Losev y col2006;. Matsuura-Tokita y col 2006;. revisado en Malhotra y Alcalde 2006). El aparato de Golgi de S. cerevisiae tiene una estructura llamativa, o más bien, una llamativa falta de estructura. En lugar de aparecer como la pila típica de pan de pita, en S. cerevisiae el Golgi es menos organizado. Las cisternas individuales se extienden de una manera irregular por toda la célula. Esta estructura inusual era ideal para el uso de microscopía de luz para observar los cambios en las cisternas individuales con el tiempo. El modelo de transporte vesicular podría predecir que una cisterna cis individual permanecería cis, con enzimas cis característicos, en toda su vida útil. Sin embargo, el modelo de maduración cisternal podría predecir que una cisterna cis recién formada eventualmente maduraría como cisterna medial, y a continuación, una cisterna trans, antes de romperse cuando su contenido se envasara para su destino final en la célula.

En sus experimentos, los dos grupos de investigación vincularon proteínas fluorescentes (verde brillante o rojo) a las proteínas presentes en diferentes cisternas individuales de S. cerevisiae , y siguieron a estas moléculas de color todo el tiempo. Los investigadores diseñaron los experimentos para poner a prueba las predicciones de los modelos de maduración cisternal y transporte vesicular. Si el modelo de transporte vesicular era correcto, entonces las cisternas serían estable y mantendrían las mismas proteínas residentes de Golgi marcadas con fluorescencia todo el tiempo. Por el contrario, si el modelo de maduración cisternal no era correcto, entonces cada cisterna contendría un conjunto cambiante de proteínas del Golgi con el tiempo. En sus experimentos, los investigadores crearon hermosas películas de la levadura y observaron que las cisternas individuales cambiaban de color con el tiempo. Después de analizar una variedad de proteínas de Golgi, los investigadores observaron consistentemente los cambios en la composición proteica de cisternas individuales con el tiempo. Sus resultados proporcionan una fuerte evidencia para el modelo de maduración cisternal.

 

Aparato de Golgi, las proteínas, Transporte | Aprende Ciencia en Scitable.

La teoría del filamento deslizante, la contracción muscular | Scitable

¿Cómo se contraen los músculos? ¿Qué moléculas son necesarias para que un tejido cambie su forma?

El músculo es un tejido contráctil especializado que les da una característica distintiva de los animales. Los cambios en la longitud del músculo apoyan una exquisita variedad de movimientos de animales, de la destreza de los tentáculos del pulpo y las ondas peristálticas de Aplysia a la coordinación precisa de linebackers y ballerinas. ¿Qué mecanismos moleculares dan lugar a la contracción muscular? El proceso de contracción tiene varios pasos clave, que se han conservado durante la evolución a través de la mayoría de los animales.

¿Qué es un Sarcómero?

Figura 1: Un músculo gastrocnemio (gemelo), con patrón de rayas de sarcómeros
La vista de un músculo gastrocnemio del ratón (pantorrilla) bajo un microscopio. Los sarcómeros son de color verde artificial, y aparecen como rayas apilados horzontal de longitudes similares. (Barra de escala blanca = 25 micras).

Cuando las células musculares se observan bajo el microscopio, se puede ver que contienen un patrón de rayas (estrías). Este patrón está formado por una serie de unidades base llamado sarcómeros que están dispuestos en un patrón apilado en todo el tejido muscular (Figura 1). Puede haber miles de sarcómeros en una sola célula muscular. Los sarcómeros son altamente estereotipados y se repiten a lo largo de las células musculares, y las proteínas dentro de ellos pueden cambiar de longitud, lo que hace que la longitud total de un músculo pueda cambiar. Un sarcómero individual contiene muchos filamentos paralelos de actina (finas) y miosina (gruesos) (fig. 1A). La interacción de las proteínas de miosina y actina es la base de nuestra comprensión actual del acortamiento del sarcómero. ¿Cómo se produce esta reducción? Tiene algo que ver con una interacción deslizante entre la actina y la miosina.

La teoría del filamento deslizante

En 1954, los científicos publicaron dos documentos innovadores que describen las bases moleculares de la contracción muscular. Estos documentos describen la posición de los filamentos de la miosina y la actina en varias etapas de contracción de las fibras musculares y propusieron cómo esta interacción produce la fuerza contráctil. Usando microscopía de alta resolución, AF Huxley y R. Niedergerke (1954) y HE Huxley y J. Hanson (1954) observaron cambios en los sarcómeros del tejido muscular acortado. Ellos observaron que una zona de la configuración repetida del sarcómero, la «banda A,» se mantuvo relativamente constante en longitud durante la contracción (figura 2A). La banda A contiene filamentos gruesos de miosina, lo cual sugiere que los filamentos de miosina centrales se mantienen constantes en longitud, mientras que otras regiones del sarcómero se acortan. Los investigadores señalaron que la «banda I,» rica en filamentos delgados hechos de actina, cambia su longitud a lo largo del sarcómero. Estas observaciones llevaron a proponer la teoría del filamento deslizante, que establece que el deslizamiento de la actina pasando sobre miosina genera tensión muscular. Debido a la actina está atada a las estructuras situadas en los extremos laterales de cada sarcómero llamado discos Z, cualquier acortamiento de la longitud de los filamentos de actina daría lugar a un acortamiento del sarcómero y por lo tanto el músculo. Esta teoría se ha mantenido impresionantemente intacta.

Figura 2: Comparación de un sarcómero relajado y contraído
(A) La organización básica de una subregión de sarcómero, que muestra la ubicación centralizada de la miosina (banda A). La actina y los discos Z se muestran en rojo. (B) Un diagrama conceptual que representa la conectividad de moléculas dentro de un sarcómero. Una persona de pie entre dos estanterías (bandas Z) tira de ellas mediante cuerdas (actina). Miosina (M) es análoga a la persona y los brazos de tracción. (Bandas Z también se llaman los discos z.)

Una analogía para el acortamiento del sarcómero

Imagínese que usted está de pie entre dos grandes estanterías llenas de libros. Estos grandes estanterías están a varios metros de distancia y se colocan en los carriles de modo que puedan ser movidas fácilmente. Se le da la tarea de llevar los dos estantes para libros juntos, y permiten usar sólo los brazos y dos cuerdas. De pie centrado entre las estanterías, se tira de las dos cuerdas – uno por cada brazo – que están atadas firmemente a cada biblioteca. De manera repetitiva, se tira cada cuerda hacia usted, la recupera, y luego tira de nuevo. Con el tiempo, a medida que avanza a través de la longitud de la cuerda, las estanterías se mueven juntas y se acercan a usted. En este ejemplo, los brazos son similares a las moléculas de miosina, las cuerdas son los filamentos de actina y las estanterías son los discos Z en que se asegura la actina, que constituyen los extremos laterales de un sarcómero. Igual a la forma en que usted se mantendrá centrado entre las estanterías, los filamentos de miosina permanecen centrados durante la contracción muscular normal (Figura 2B).

¿Qué son los puentes que cruzan?

Un refinamiento importante de la teoría del filamento deslizante consistió en la forma particular en que la miosina es capaz de empujar a la actina para acortar el sarcómero. Los científicos han demostrado que el extremo globular de la proteína de miosina más cercana a la actina, llama la región S1, tiene múltiples segmentos articulados, que se pueden doblar y facilitan la contracción (Hynes et al. 1987; Spudich 2001). La flexión de la región de la miosina S1 ayuda a explicar la forma en que se mueve o «pasea» la miosina a lo largo de la actina. La región de «cola» más delgado y por lo general más largo de la miosina (S2) también exhibe flexibilidad, y gira simultáneamente con la contracción de S1 (Figura 3A).

Figura 3: El «golpe de potencia» del modelo de puente de balanceo, a través del movimiento «ciclista» de la miosina-actina
La actina (rojo) interactúa con la miosina, que se muestra en forma globular (rosa) y en forma de filamento (línea de color negro). El modelo que se muestra es el de HE Huxley, modificado para indicar (flecha curvada) la flexión cerca de la mitad del puente transversal de forma alargada (subfragmento 1, o S1) que proporciona el «golpe de potencia». Esta flexión impulsa actina a la derecha a unos 10 nanómetros (nm de paso 10). Las áreas S2 amarran la miosina globular al filamento grueso (línea amarilla horizontal), que permanece en el lugar mientras que los filamentos de actina se mueven. Modificado de Spudich (2001).

Los movimientos de la miosina parecen ser una especie de danza molecular. La miosina avanza hacia adelante, se une a la actina, se contrae, libera la actina, y luego avanza de nuevo hacia delante para unirse actina en un nuevo ciclo. Este proceso se conoce como el ciclismo (bicicleta) de miosina-actina. A medida que el segmento S1 de miosina se une y libera la actina, forma lo que se denominan puentes cruzados, que se extienden desde los filamentos gruesos de miosina a los filamentos finos de actina. La contracción de la región de S1 de la miosina se llama power stroke (golpe de potencia) (Figura 3). La carrera de potencia requiere la hidrólisis de ATP , que se rompe un enlace de fosfato de alta energía y libera energía.

En concreto, esta hidrólisis ATP proporciona la energía a la miosina que pasar por este ciclo: liberar la actina, cambiar su conformación, contraerse, y repetir el proceso de nuevo (Figura 4). La miosina se mantendría vinculado a la actina indefinidamente – haciendo la rigidez del rigor mortis – si las nuevas moléculas de ATP no estuvieran disponibles (Lorand 1953).

Figura 4: Ilustración del ciclo de cambios en la forma de miosina durante los ciclos de puentes cruzados (1, 2, 3 y 4) Hidrólisis de ATP libera la energía necesaria para la miosina para hacer su trabajo. AF: filamentos de actina, miosina MF filamento. Modificado de Goody (2003).

Dos aspectos clave del ciclismo miosina-actina utilizan la energía puesta a disposición por la hidrólisis de ATP. En primer lugar, la acción del alcance de la cabeza S1 de miosina utiliza la energía liberada después de que la molécula de ATP se divide en ADP y fosfato (P). La miosina se une actina en esta conformación extendida. En segundo lugar, la liberación del fosfato faculta a la contracción de la región S1 de miosina (Figura 4).

¿Qué regula el acortamiento del sarcómero?

El calcio y el ATP son cofactores (componentes no proteicos de los enzimas) necesarios para la contracción de las células musculares. El ATP proporciona la energía, tal como se describe más arriba, pero ¿qué hace el calcio? El calcio se requiere para dos proteínas, la troponina y la tropomiosina, que regulan la contracción muscular mediante el bloqueo de la unión de la miosina a la actina filamentosa (Figura 5). 

En un sarcómero en reposo, la tropomiosina bloquea la unión de la miosina a la actina. En la analogía superior de los estantes de tracción, la tropomiosina se pondrá en el camino de la mano mientras trataba de sostener la cuerda de actina. Para que la miosina se una a la actina, la tropomiosina debe girar alrededor de los filamentos de actina para exponer los sitios de unión a la miosina. En 1994, William Lehman y sus colegas demostraron cómo la tropomiosina gira estudiando la forma de la actina y la miosina, ya sea en soluciones ricas en calcio o soluciones que contengan calcio bajo (Lehman, Craig, y Vibertt 1994). Mediante la comparación de la acción de la troponina y la tropomiosina bajo estas dos condiciones, encontraron que la presencia de calcio es esencial para el mecanismo de contracción. Específicamente, la troponina (la proteína más pequeña) desplaza la posición de la tropomiosina y la mueve lejos de los sitios de unión a miosina en la actina, para desbloquear de forma efectiva el sitio de unión (Figura 4). Una vez que los sitios de unión a la miosina están expuestos, y si hay presente suficiente ATP, la miosina se une a la actina para comenzar el ciclismo a través del puente. Entonces se acorta el sarcómero y el músculo se contrae. En ausencia de calcio, no se produce esta unión, por lo que la presencia de calcio libre es un importante regulador de la contracción muscular.

Preguntas sin resolver

Entendemos completamente la contracción muscular? Los científicos todavía tienen curiosidad acerca de varias proteínas que influyen claramente en la contracción muscular, y estas proteínas son interesantes porque están bien conservadas a través de las especies animales. Por ejemplo, moléculas como la titina, una proteína «elástica» inusualmente larga y que abarca sarcómeros en los vertebrados, parece unirse a la actina, pero no se conocen bien. Además, los científicos han hecho muchas observaciones de las células musculares que se comportan de maneras que no coinciden con el conocimiento actual de las mismas. Por ejemplo, algunos músculos en moluscos y artrópodos generan la fuerza durante largos períodos, un fenómeno poco entendido a veces llamado «captura-tensión» o histéresis de fuerza (Hoyle, 1969). El estudio de estos y otros ejemplos de cambios musculares (plasticidad) son vías interesantes para la exploración por los biólogos. En última instancia, esta investigación puede ayudarnos a comprender mejor y tratar a los sistemas neuromusculares y comprender mejor la diversidad de este mecanismo en nuestro mundo natural.

Resumen

La contracción muscular ofrece a los animales una gran flexibilidad, lo que permite que se muevan de manera exquisita. Los cambios moleculares que dan lugar a la contracción del músculo se han conservado en la evolución en la mayoría de los animales. Mediante el estudio de los sarcómeros, la unidad básica de control de los cambios en la longitud muscular, los científicos propusieron la teoría del filamento deslizante para explicar los mecanismos moleculares que subyacen a la contracción muscular. Dentro del sarcómero, la miosina se desliza a lo largo de la actina para contraer la fibra muscular en un proceso que requiere ATP. Los científicos también han identificado muchas de las moléculas implicadas en la regulación de las contracciones musculares y comportamientos motrices, incluyendo el calcio, la troponina y la tropomiosina. Esta investigación nos ayudó a aprender cómo los músculos pueden cambiar su manera de producir movimientos.

Referencias y lecturas recomendadas

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Clark, M. Milestone 3 (1954): modelo de deslizamiento de filamentos para la contracción muscular. Correderas filamentos musculares.Nature Reviews Molecular Biología Celular 9 , S6-S7 (2008) doi: 10.1038/nrm2581.

Goody, RS El eslabón perdido en el ciclo de los puentes cruzados muscular. Nature Structural Molecular Biology 10 , 773-775 (2003) doi: 10.1038/nsb1003-773.

Hoyle, G. Aspectos comparativos de músculo. Revisión Anual de Fisiología 31 , 43-82 (1969) doi: 10.1146/annurev.ph.31.030169.000355.

Huxley, HE & Hanson, J. Cambios en el cruce de las estrías de los músculos durante la contracción y el estiramiento y su interpretación estructural Nature 173 , 973-976 (1954) doi: 10.1038/173973a0.

Huxley, AF & Niedergerke, R. Los cambios estructurales en el músculo durante la contracción: Interferencia de microscopía de las fibras musculares que viven. Naturaleza 173 , 971-973 (1954) doi: 10.1038/173971a0.

Hynes, TR et al. Movimiento de fragmentos de miosina in vitro:. Dominios que intervienen en la producción de fuerza Célula 48 , 953-963 (1987) Doi: 10.1016/0092-8674 (87) 90704-5.

Lehman, W., Craig, R. & Vibertt, P. movimiento de Ca2 + inducida por la tropomiosina en Limulus . filamentos delgados reveladas por la reconstrucción en tres dimensiones Naturaleza 368 , 65-67 (1994) doi: 10.1038/368065a0.

Lorand, L. «adenosina trifosfato transphosphorylase-creatina» como el factor de relajación muscular. Naturaleza 172 , 1181-1183 (1953) doi: 10.1038/1721181a0.

Spudich, JA El balanceo modelo puentes cruzados de miosina. Nature Reviews Molecular Cell Biology 2 , 387-392 (2001) doi: 10.1038/35073086.

Sliding teoría del filamento, Sarcómero, la contracción muscular, la miosina | Aprender Ciencias de Scitable.

El estudio de las proteínas permitirá predecir enfermedades en cinco años

El científico Pierre Legrain explica que los biomarcadores facilitarán la adaptación de las terapias

El científico Pierre Legrain. / FERNANDO DOMINGO-ALDAMA

El científico francés Pierre Legrain, presidente de la Organización para el Proteoma Humano (HUPO), la red internacional de investigación de las proteínas que contiene el genoma humano, cree que los trabajos básicos que se están desarrollando en este campo desde 2001 permitirán en el plazo de cinco año predecir la aparición de determinadas enfermedades. «Los hallazgos de nuevos biomarcadores permitirán adaptar las terapias a cada paciente», ha explicado.

Legrain, especialista en biología celular, ha dirigido su carrera investigadora a la interacción entre proteínas, con el desarrollo de nuevas metodologías, y a la identificación del proteoma humano (el conjunto de proteínas del cuerpo humano). El científico se ha integrado en el trabajo de HUPO desde su nacimiento y desde 2009 es el máximo responsable del proyecto de identificación de las proteínas, con grupos de trabajo distribuidos por todo el mundo.

El científico ha citado la diabetes como una de las enfermedades que podrían ser mejor tratadas gracias al hallazgo de los nuevos biomarcadores. Legrain ha destacado la necesidad de desarrollar nuevos equipos y tecnologías que permitan seguir avanzando en la investigación sobre la composición de las proteínas. Los resultados que están obteniendo le permite pronosticar que en un plazo más largo médicos y pacientes podrán decidir las estrategias para mejorar la salud. «La medicina personalizada será el reto para los próximos 20 años», ha dicho. Los nuevos biomarcadores podrán facilitar también los tratamientos del Parkinson y el Alzheimer, y la lucha contra los efectos secundarios de la medicación contra el cáncer.

Legrain defiende la investigación en paralelo de especialistas de distintas disciplinas, desde químicos hasta matemáticos, con el punto de vista global sobre el ser humano.El científico francés lidera «la interfaz entre la biología y las ciencias humanas, la psicología y las ciencias cognitivas», ha explicado, para abordar, por ejemplo, la cuestión de la herencia frente a los rasgos adquiridos. Legrain pronunciará esta tarde en Bilbao la conferencia De las proteínas al ser humano: como el proyecto del proteoma humano puede inspirar a la investigación biológica, dentro del ciclo ¿Puede la medicina ser predictiva? que ha organizado la Fundación BBVA.  Para ilustrar su defensa de la integración de las disciplinas Legrain estará acompañado por la violonchelista Virginie Constant.

Los grupos investigadores de la red HUPO están distribuidos por una treintena de países, lo que les permite defenderse del impacto de la crisis económica. «No todos los países europeos están sufriendo los mismos recortes», ha destacado. «Países como China o Brasil permiten compensar la falta de inversiones en investigación en otras partes del mundo».

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Las proteínas fluorescentes, nuevos colores para la biología celular·SEBBM

Artículo publicado en abril de 2013

Lucía Sánchez Ruiloba; Servicio de Microscopía Óptica y Confocal del Instituto de Investigaciones Biomédicas «Alberto Sols»

El descubrimiento y desarrollo de las proteínas fluorescentes supuso una revolución en el campo de la biología celular. La fusión de proteínas fluorescentes con proteínas de interés permite monitorizar multitud de procesos biológicos en tiempo real en células y organismos vivos. Gracias a las proteínas fluorescentes se han desarrollo técnicas específicas para el estudio de la dinámica y movimiento de proteínas (FRAP) así como para el análisis de interacciones proteicas (FRET).

El descubrimiento de la proteína verde fluorescente por el doctor Osamu Shimomura en 1968 se produjo cuando estudiaba la capacidad de emitir luz verde de la medusa Aequorea victoria. Descubrió que están implicadas dos proteínas. Aequorin, que emite luz azul a través de un proceso de bioluminiscencia, y otra proteína capaz de absorber esta luz azul y emitir fotones de luz verde. A esta proteína se le denominó proteína verde fluorescente o GFP, del inglés Green Fluorescent Protein.

En 1992 se identificó la secuencia de nucleótidos de esta proteína fluorescente y dos años más tarde Martin Chalfie la introdujo en un organismo completo, en el nematodo Caenorabditis Elegans. Así se descubrió que la GFP posee dos características claves que han permitido su posterior aplicación en el campo de la biología celular. Por un lado, se pliega de manera espontánea y adquiere su conformación fluorescente sin necesidad de ningún cofactor. Por otro lado, no produce toxicidad al expresarla en otro organismo.

Tras el descubrimiento de la proteína verde fluorescente muchos investigadores han centrado sus esfuerzos en identificar y desarrollar nuevas proteínas fluorescentes. Se han descubierto proteínas procedentes de otros organismos como la DsRed, proteína con fluorescencia roja que proviene de la anémona Discosoma Striata. Además, realizando sustituciones de aminoácidos en las proteínas ya conocidas se han mejorado características como el brillo o la estabilidad, y se ha modificado su espectro de emisión. La sustitución de la treonina 203 por tirosina en la GFP da lugar a una proteína con fluorescencia amarilla.

En este campo es especialmente relevante el trabajo de Roger Tsien. Ya que tras dedicarse al estudio de la estructura de la GFP ha sido capaz de crear una gran variedad de proteínas fluorescentes de diferentes colores. Las proteínas fluorescentes disponibles en la actualidad cubren prácticamente todo el espectro de luz visible. Combinándolas en la misma muestra se pueden realizar marcajes multicolores y estudiar diferentes moléculas simultáneamente.

El descubrimiento y desarrollo de las diferentes variedades de las proteínas fluorescentes supuso una revolución en la biología celular. Tanto es así, que los investigadores Osamu Shimomura, Martin Chalfie y Roger Tsien obtuvieron el premio Nobel de Química en 2008.

Las técnicas y aplicaciones que se han desarrollado gracias al uso de estas proteínas son muy variadas y los objetivos que persiguen son muy diferentes.

Una de las aplicaciones más extendidas de las proteínas fluorescentes es la fusión con proteínas de interés, lo que permite observar la localización de la proteína quimérica manteniendo las células intactas. Se han creado proteínas fluorescentes con secuencias específicas de localización que las sitúan en los diferentes orgánulos celulares, de esta manera se puede realizar un seguimiento de su morfología, fusión y fisión, segregación durante la división celular… Combinando el marcaje de proteínas de interés con el marcaje de orgánulos específicos se pueden realizar estudios de localización, tráfico y movimiento de proteínas a lo largo del tiempo.

Además de moléculas intracelulares las proteínas fluorescentes permiten el marcaje de células o tejidos en animales enteros. El objetivo de estos marcajes es la visualización de la morfología, localización y movimiento de las células o tejidos marcados durante el desarrollo embrionario o procesos tumorales, entre otros.

Figura. Cultivo de neuronas corticales de embrión de rata transfectadas con un plásmido que codifica para la proteína verde fluorescente (GFP). La tinción en azul corresponde con el marcador de ácidos nucléicos DAPI a través del cual se puede detectar el núcleo de todas las células presentes en el campo. Como se puede observar solo una de ellas expresa la proteína verde fluorescente. La barra de escala corresponde a 50 micras. Imagen cedida por la Dra. Teresa Iglesias Vacas del Instituto de Investigaciones Biomédicas «Alberto Sols» de Madrid.Algunos ensayos clínicos en marcha con virus integrativos. Extraído de (4)

Un subgrupo dentro de las proteínas fluorescentes lo componen las fotoactivables y las fotoconvertibles. Las proteínas fotoactivables en su estado basal no son fluorescentes pero tras su iluminación con una determinada longitud de onda sufren un cambio conformacional y adquieren capacidades fluorescentes. Las fotoconvertibles se comportan igual que las anteriores pero su fluorescencia es reversible si se vuelven a iluminar con la longitud de onda precisa. Estas proteínas permiten la monitorización de moléculas o células en el espacio y en el tiempo. Presentan la ventaja de que se pueden activar regiones de interés y así discernir el comportamiento de determinados subgrupos de proteínas o células.

Las proteínas fluorescentes han permitido el desarrollo de técnicas microscópicas basadas en las propiedades de sus cromóforos.

Entre ellas cabe destacar la técnica de FRAP que estudia la recuperación de la fluorescencia después del fotoblanqueado. Consiste en excitar con luz de alta intensidad las proteínas fluorescentes de una región concreta de manera que pierdan su fluorescencia. A continuación se analiza cómo se recupera la fluorescencia en esa región. Esta recuperación será debida al movimiento de las partículas fluorescentes que se encontraban fuera de la región sobre-excitada. Así se obtienen datos sobre el movimiento o la difusión de las moléculas marcadas fluorescentemente.

Otra técnica ampliamente utilizada es el FRET (Föster Resonance Energy Transfer). Se basa en el uso simultáneo de una pareja de moléculas fluorescentes, en la cual la primera de ellas emite luz de una longitud de onda capaz de excitar a la segunda. Si estas moléculas se encuentran a menos de 10 nanómetros, iluminando la primera de ellas podremos observar fluorescencia emitida por la segunda. Esto es debido a que ha sido excitada con la luz de emisión de la primera. Usando esta técnica podemos identificar inequívocamente interacciones entre las proteínas estudiadas.

Las proteínas fluorescentes, así como las técnicas derivadas de ellas, han supuesto un gran avance en el área de la biología celular, pero este campo está en continuo desarrollo y en los próximos años aparecerán nuevas técnicas y proteínas que nos permitirán mejorar nuestros conocimientos y responder a nuevas preguntas.

REFERENCIAS

1. Handbook of Biological Confocal Microscopy. Second edition. James B. Pawley.
2. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/nobelguide_che.pdf
3. Páginas web con información de microscopía. http://micro.magnet.fsu.edu/primer/techniques/livecellimaging/index.html
4. http://www.microscopyu.com/articles/livecellimaging/fpintro.html
5. http://www.olympusconfocal.com/applications/index.html

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SEBBM – Sociedad Española de Bioquímica y Biología Molecular..

Una proteína “extremadamente tóxica” | EL PAÍS

La toxina del ricino puede ser mortal incluso en pequeñas cantidades y no tiene ningún tratamiento

Las semillas de ricino (superior) muy similares en color y tamaño que los frijoles (inferior), pero tienen una pequeña protuberancia puntiaguda en el extremo. / REUTERS

La ricina es una proteína que se extrae de las semillas del ricino (Ricinus communis). «Extremadamente tóxica”, según el Centro de Control de Enfermedades de EEUU(CDC). No tiene nada que ver en sus propiedades con el aceite que se extrae de la misma planta y que fue tan popular como laxante.

Está considerada como una potencial arma biológica. Estudios en monos indican que la ingesta de 3 miligramos puede ser mortal para un animal adulto. “La ricina causa toxicidad inhibiendo la síntesis de proteínas en las células del individuo expuesto. Puede causar graves reacciones alérgicas. La exposición incluso a una pequeña cantidad puede ser mortal”, añade el CDC.

Las vías para su propagación son variadas: por el aire o en comida o bebida. Por eso puede ser absorbido por el organismo a través de ingesta, inhalación o por contacto con los ojos; también a través de la piel irritada o por heridas abiertas, pero “probablemente” no a través de la piel sana, indica el CDC. “También puede atravesar la piel en forma de pequeños proyectiles”, añade la agencia estadounidense.

La ricina actúa inhibiendo la acción de los ribosomas. Estos orgánulos celulares son los encargados de sintetizar las proteínas: sin ellos, todos los procesos biológicos se detienen. Lógicamente, su gravedad depende de la cantidad a la que la persona está expuesta. “La forma inhalada puede causar problemas respiratorios, fiebre, tos y náuseas. Si se ingiere, causa diarreas, vómitos, deshidratación y convulsiones”, indica Nature. Los síntomas pueden tardar entre 4 y 24 horas en aparecer, y la muerte, sobrevenir entre los tres y seis días. Todas estas propiedades hicieron que fuera considerado su uso en la I Guerra Mundial.

No tiene tratamiento y solo hay una vacuna en pruebas.

Una proteína “extremadamente tóxica” | Internacional | EL PAÍS.

Anticuerpos – Una introducción

Los anticuerpos (también conocidos como inmunoglobulinas, abreviado Ig) son glicoproteínas del tipo gamma globulina. Pueden encontrarse de forma soluble en la sangre u otros fluidos corporales de los vertebrados, disponiendo de una forma idéntica que actúa como receptor de los linfocitos B y son empleados por el sistema inmunitario para identificar y neutralizar elementos extraños tales como bacterias, virus o parásitos.¹

Molécula de inmunoglobulina con su típica forma de Y. En azul se observan las cadenas pesadas con cuatro dominios Ig, mientras que en verde se muestran las cadenas ligeras. Entre el tallo (Fracción constante, Fc) y las ramas (Fab) existe una parte más delgada conocida como «región bisagra» (hinge).

El anticuerpo típico está constituido por unidades estructurales básicas, cada una de ellas con dos grandes cadenas pesadas y dos cadenas ligeras de menor tamaño, que forman, por ejemplo, monómeros con una unidad, dímeros con dos unidades o pentámeros con cinco unidades. Los anticuerpos son sintetizados por un tipo de leucocito denominado linfocito B. Existen distintas modalidades de anticuerpo, isotipos, basadas en la forma de cadena pesada que posean. Se conocen cinco clases diferentes de isotipos en mamíferos que desempeñan funciones diferentes, contribuyendo a dirigir la respuesta inmune adecuada para cada distinto tipo de cuerpo extraño que encuentran.²

Ángel del Oeste (Angel of the West) (2008) de Julian Voss-Andreae es una escultura basada en la estructura del anticuerpo publicada por E. Padlan.6 Diseñada para el campus Florida del Instituto de Investigación Scripps,7 el anticuerpo se ubica dentro de un anillo que recuerda al Hombre de Vitruvio de Leonardo da Vinci, destacando así las dimensiones similares del anticuerpo y del cuerpo humano.

Aunque la estructura general de todos los anticuerpos es muy semejante, una pequeña región del ápice de la proteína es extremadamente variable, lo cual permite la existencia de millones de anticuerpos, cada uno con un extremo ligeramente distinto. A esta parte de la proteína se la conoce como región hipervariable. Cada una de estas variantes se puede unir a una «diana» distinta, que es lo que se conoce como antígeno.³ Esta enorme diversidad de anticuerpos permite al sistema inmune reconocer una diversidad igualmente elevada de antígenos. La única parte del antígeno reconocida por el anticuerpo se denomina epítopo. Estos epítopos se unen con su anticuerpo en una interacción altamente específica que se denomina adaptación inducida, que permite a los anticuerpos identificar y unirse solamente a su antígeno único en medio de los millones de moléculas diferentes que componen un organismo.

El reconocimiento de un antígeno por un anticuerpo lo marca para ser atacado por otras partes del sistema inmunitario. Los anticuerpos también pueden neutralizar sus objetivos directamente, mediante, por ejemplo, la unión a una porción de un patógeno necesaria para que éste provoque una infección.

La extensa población de anticuerpos y su diversidad se genera por combinaciones al azar de un juego de segmentos genéticos que codifican diferentes lugares de unión al antígeno (o paratopos), que posteriormente sufren mutaciones aleatorias en esta zona del gen del anticuerpo, lo cual origina una diversidad aún mayor.^2 4 Los genes de los anticuerpos también se reorganizan en un proceso conocido como conmutación de clase de inmunoglobulina que cambia la base de la cadena pesada por otra, creando un isotipo de anticuerpo diferente que mantiene la región variable específica para el antígeno diana. Esto posibilita que un solo anticuerpo pueda ser usado por las diferentes partes del sistema inmune. La producción de anticuerpos es la función principal del sistema inmunitario humoral.⁵

Anticuerpos, inmunoglobulinas y gammaglobulinas

En general, como ya se dijo en la introducción, se considera que anticuerpo e inmunoglobulina son equivalentes, haciendo referencia el primer término a la función, mientras que el segundo alude a la estructura. El término gammaglobulina se debe a las propiedades electroforéticas de las inmunoglobulinas solubles en suero, si bien algunas inmunoglobulinas migran con las fracciones alfa, beta e incluso con la albúmina.

En 1890 comenzó el estudio de los anticuerpos cuando Emil Adolf von Behring y Shibasaburo Kitasato describieron la actividad de los anticuerpos contra la difteria y la toxina tetánica. Behring y Kitasato propusieron la teoría de la inmunidad humoral, que establecía la existencia de un mediador en el suero sanguíneo que podría reaccionar con un antígeno extraño, dándole el nombre de anticuerpo.^9 10 Su idea llevó en 1897 a Paul Ehrlich a proponer la teoría de la cadena lateral de la interacción entre antígeno y anticuerpo y a lanzar la hipótesis de que existían receptores (descritos como «cadenas laterales») en la superficie de las células que se podrían unir específicamente a toxinas —en una interacción de tipo llave-cerradura— y que esta reacción de acoplamiento era el desencadenante de la producción de anticuerpos.¹¹

Representación de una electroforesis de las proteínas del suero sanguíneo.

En 1904, siguiendo la idea de otros investigadores de que los anticuerpos se daban libres en la sangre, Almroth Wright sugirió que los anticuerpos solubles revestían las bacterias para señalarlas para su fagocitosis y destrucción en un proceso denominado opsonización.¹²

En los años 1920, Michael Heidelberger y Oswald Avery descubrieron la naturaleza de los postulados anticuerpos al observar que los antígenos podían ser precipitados por ellos y demostrando que éstos eran un tipo de proteínas.¹³

A finales de los años 1930 John Marrack examinó las propiedades bioquímicas de las uniones antígeno-anticuerpo.¹⁴ Luego, en los años 1940 tiene lugar el siguiente avance de importancia, cuando Linus Pauling confirmó la teoría de la llave y la cerradura propuesta por Ehrlich mostrando que las interacciones entre anticuerpos y antígenos dependían más de su forma que de su composición química.¹⁵ En 1948, Astrid Fagreaus descubrió que los linfocitos B en su forma de célula plasmática eran responsables de la producción de anticuerpos.¹⁶

Actual Universidad Rockefeller (antiguo Instituto), donde se desarrollaron buena parte de los avances en el estudio de los anticuerpos.

Los siguientes trabajos de investigación se concentraron en la caracterización de la estructura molecular de los anticuerpos:

• A principios de los años 1960 se produce el principal avance en este sentido, con el descubrimiento por Gerald M. Edelman y Joseph Gally de la cadena ligera,¹⁷ y la comprensión de que ésta era idéntica a la proteína de Bence Jones descrita en 1845 por Henry Bence Jones.¹⁸ Edelman continuó con el descubrimiento de que los anticuerpos estaban compuestos por cadenas ligeras y pesadas unidas por enlaces disulfuro.

• Por las mismas fechas, Rodney Porter caracterizó las regiones de unión del anticuerpo (Fab) y la cola del anticuerpo (Fc) en el tipo IgG.¹⁹ Conjuntamente, estos científicos dedujeron la estructura y la secuencia completa de aminoácidos de la IgG, por lo cual recibieron ex aequo el premio Nobel de fisiología y medicina en 1972.¹⁹

• Mientras la mayoría de estos primeros estudios se fijaron en las IgM e IgG, se identificaron otros isotipos de inmunoglobulina en los años 1960: Thomas Tomasi descubrió los anticuerpos secretados (IgA)²⁰ y David Rowe y John Fahey identificaron la IgD,²¹ y la IgE fue identificada por Kikishige Ishizaka y Teruki Ishizaka como una clase de anticuerpos implicados en reacciones alérgicas.²²

• En 1975 César Milstein y Georges J.F. Köhler idean el método para la producción de anticuerpos monoclonales.²³ En 1976, los estudios genéticos revelaron la base de la vasta diversidad de los anticuerpos al ser identificada la recombinación somática de los genes de inmunoglobulina por Susumu Tonegawa.²⁴

Anticuerpo – Wikipedia, la enciclopedia libre.

Calreticulina (I): Scitable

Por: Fela Mendlovic, M.Sc. (Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México, Universidad Anáhuac ) y Mariangela Conconi, Ph.D. ( Escuela de Ciencias de la Salud, Universidad Anáhuac) © 2011 Nature Education

La calreticulina es una proteína con múltiples funciones, incluyendo la regulación del calcio y la ayuda al plegamiento de otras proteínas.¿Cómo descubrieron los científicos la calreticulina y sus funciones?

La calreticulina (CRT) es una proteína que se encuentra ampliamente distribuida en células eucariotas. Fue descrita por primera vez en el retículo endoplasmático (ER, una red de membranas interconectadas dentro del citoplasma celular). Desde su descubrimiento, se ha identificado en muchas otras estructuras celulares como el citoplasma, la membrana de la célula, y la matriz extracelular (un andamio de proteína que se encuentra entre las células). Entre sus muchas funciones, la calreticulina está involucrada en el mantenimiento de niveles adecuados de calcio en los organismos. También funciona como un chaperón para ayudar a otras proteínas a plegarse correctamente. ¿Cómo puede ser una proteína tan omnipresente y hacer cosas tan diferentes? Para responder a esta pregunta, vamos a revisar lo que sabemos sobre calreticulina, desde su descubrimiento hasta los emocionantes hallazgos más recientes, que sugieren que esta proteína juega un papel clave en procesos como la cicatrización de heridas, la eliminación de células del cáncer  y el desarrollo parasitario.

¿Cómo se pliegan las proteínas?

Toda la información requerida para construir un organismo vivo se almacena en sus cromosomas, y el resultado final de la expresión de la mayoría de los genes en los cromosomas es una proteína. Las proteínas desempeñan un papel crucial en prácticamente todos los procesos biológicos. Cuando se observa una célula a través de la lente de un microscopio, lo que estás viendo realmente son proteínas en acción. Hay proteínas que dan a la célula su forma y estructura, mientras que otras proteínas realizan todas las funciones vitales que se requieren para que la célula opere. Las proteínas pueden funcionar como catalizadores (cambiando la velocidad de las reacciones químicas), en el transporte y almacenamiento de otras moléculas (tales como oxígeno o hierro), y en la protección inmune, entre muchas otras funciones. Ellas son capaces de generar movimiento, transmitir los impulsos nerviosos a través de receptores de membrana, actúan como hormonas, y proporcionar un control del crecimiento y la diferenciación .

En su estado más básico, las proteínas se componen de una cadena lineal de aminoácidos, y estas moléculas lineales normalmente se pliegan en determinadas formas tridimensionales. La función de una proteína depende directamente de su estructura doblada. Además, cada proteína contiene una amplia gama de grupos funcionales (grupos de átomos unidos a los aminoácidos que participan en las reacciones químicas específicas) que pueden afectar a su forma final.

Los grupos funcionales se añaden a la proteína después de que se sintetiza en los ribosomas en un proceso denominado modificación post-traduccional, que tiene lugar en el retículo endoplásmico . ¿Cuáles son las modificaciones posteriores a la traducción? Estas modificaciones químicas contribuyen al correcto plegamiento de las proteínas, promueven su activación de formas inactivas, afectan a sus funciones, determinan sus localizaciones celulares, o las marca para la secreción. Estas modificaciones afectan a la condición general de las proteínas dentro de la célula y/o el organismo. Las modificaciones post-traduccionales incluyen: la adición de grupos fosfato (fosforilación ), azúcares (glicosilación), grasas (lipidación), grupos acetilo ( acetilación ), y la ruptura de las proteínas en fragmentos (proteólisis). Hay más de 100 tipos diferentes de estas modificaciones, que reflejan la importancia de la modificación post-traduccional en las funciones de la proteína.

Algunas proteínas no se pliegan en sus correctas estructuras tridimensionales por sí mismas. Necesitan ayuda. Otras proteínas especializadas, conocidas como chaperones, vienen a su rescate. La misión de los acompañantes es ayudar a otras proteínas a que se pliegan en su correcta configuración y así adquirir la funcionalidad (Herbert & Molinari 2007).

El descubrimiento de la Calreticulina: muchos nombres, una proteína

La calreticulin fue descubierta en células de músculo esquelético en 1974. Thomas Ostwald y MacLennan David intentaron caracterizar las proteínas que se unen al calcio en el retículo sarcoplásmico – un tipo especializado de retículo endoplásmico encontrado en las células musculares. Dado que el calcio es esencial para la contracción muscular y la relajación, esperaban aprender acerca de la regulación de calcio mediante el estudio de estas proteínas en las células musculares. Ostwald y MacLennan aislaron siete proteínas de un extracto de retículo sarcoplásmico del músculo esquelético de conejo, y cuando se midió la actividad de unión al calcio, sólo una proteína mostró una alta afinidad para este elemento. Le dieron a esta proteína recientemente identificada el nombre de «proteína de alta afinidad de unión de calcio» (HAB), por razones obvias.

Quince años más tarde, los avances en biología molecular permitieron a los científicos clonar y caracterizar la secuencia aminoácida de la HABP (Fliegel et al . 1989). Para su sorpresa, cuando compararon su secuencia de aminoácidos a las de otras proteínas de unión de calcio reportados en la literatura científica, se enteraron de que la secuencia era idéntica a las de la calregulin, CRP55, CaBP3, ERp60 y proteínas tipo-calsecuestrina (Michalak et al . 1992). De todas estas proteínas, la CRP55 fue el primera en ser secuenciada y propuesta para ser la partícipe en el almacenamiento de calcio, una predicción que resultó ser correcta. Los autores llamaron a esta proteína calreticulina (Smith & Koch, 1989). Anteriormente, la calregulina había sido localizada en el retículo endoplásmico (Waisman et al . 1985), y la calreticulina en el material luminal de este mismo orgánulo (Macer y Koch, 1988).

Todas estas proteínas habían sido descubiertas por diferentes grupos de investigación que estudian una variedad de células no musculares, tales como el hígado y las células del cerebro. Para evitar confusiones, todos los laboratorios involucrados llegaron a un consenso para nombrar a la proteína «calreticulina», reflejando su capacidad de unión al calcio y su localización en el retículo sarcoplásmico/endoplásmico. En ese momento, no tenían idea de que esta proteína multi-llamada también resultaba ser una molécula multifacética . A continuación, los científicos compararon la secuencia de aminoácidos de la calreticulina humana (CRT) con otras secuencias conocidas de diferentes organismos utilizando los análisis filogenéticos. Sus resultados mostraron que la TRC es una proteína conservada, lo que sugiere que juega un papel esencial en la fisiología celular. Hasta ahora, la CRT ha encontrado en todas las células eucariotas, excepto enlos eritrocitos -estas células carecen de ER- y la levadura (Michalak 1999).

Calreticulin | Cursos de Ciencias de Scitable.

El Banco de Datos de Proteínas | Scitable

Por: David S. Goodsell, Ph.D. (Departamento de Biología Molecular, The Scripps Research Institute) ©2010 Nature Education.  Cita:  Goodsell, DS  (2010), el Banco de Datos de Proteínas:. Explorando  la Estructura Biomolecular Nature Education 3(9):39

¿Por qué es útil conocer la estructura atómica de las moléculas?

Aprenda por qué y cómo este tipo de información acerca de la estructura de proteínas es compartida a través de una base de datos a disposición del público.

Los científicos han determinado las estructuras atómicas de miles de los componentes biomoleculares de las células. Estas estructuras permiten comprender la biología celular a nivel atómico. Los secretos de la síntesis de proteínas se han puesto de manifiesto, empezando por la estructura del ADN, hace medio siglo, que revelaba la base atómica de la información genética, hasta las estructuras de trabajo recientes de los ribosomas, atrapados en el momento de traducir esta información en nuevas proteínas. Las enzimas de la glicólisis, ciclo del ácido cítrico, y el transporte de electrones han sido estudiados y se han determinado sus estructuras. Conocemos las estructuras tridimensionales (3D) de diversas proteínas de los sentidos, de la señalización, el transporte, la regulación y la defensa. Estas estructuras dan respuesta a muchas cuestiones biológicas importantes, y también permitirán a los científicos plantear muchas otras nuevas.

La mayoría de las estructuras biomoleculares son determinadas por cristalografía de rayos X

¿Cómo determinan los científicos las estructuras atómicas de las proteínas? La cristalografía de rayos X es un método poderoso para determinar la ubicación de cada átomo en una molécula. La biomolécula objeto de estudio se purifica y cristaliza, y entonces el cristal se somete a un intenso haz de rayos X (a menudo, en estos momentos, proporcionado por un sinchotrón). Los rayos X se difractan en una matriz de puntos característicos. Mediante el análisis de la separación de las manchas, los investigadores pueden determinar cómo las moléculas están dispuestas en el cristal, y mediante el análisis de la intensidad de las manchas, se puede determinar dónde se encuentra cada átomo. El resultado es un conjunto de coordenadas, describiendo la ubicación de cada átomo en la molécula.

Otros métodos también se utilizan para determinar las estructuras

Los científicos usan otra variedad de técnicas para determinar las estructuras tridimensionales de las biomoléculas, en particular para las moléculas que son demasiado flexibles o demasiado grandes para ser analizadas por cristalografía. La espectroscopía de RMN revela todos los átomos que están cerca uno del otro en una biomolécula, así como la conformación local de las porciones de la cadena macromolecular. Los científicos entonces utilizan esta información para deducir la estructura de la biomolécula. Actualmente, la espectroscopía de RMN es eficaz para determinar las estructuras de pequeñas biomoléculas, tales como proteínas u oligonucleótidos pequeños, ya que las mediciones experimentales son difíciles o imposibles de realizar para moléculas más grandes. La microscopía electrónica, por otra parte, es eficaz para estructuras muy grandes, tales como virus grandes o conjuntos de proteínas como el poro de la membrana nuclear. La óptica utilizada para enfocar electrones no es suficientemente precisa para resolver los átomos individuales, pero la microscopía electrónica típica puede dar una buena indicación de la forma general y forma de moléculas subcelulares.

Figura 1: Estructuras de la proteasa del VIH y el diseño de drogas
En el anteproyecto de presupuesto, se pueden encontrar cientos de estructuras de la proteasa del VIH con fármacos antirretrovirales. El complejo se muestra aquí es una forma mutante de la proteasa, que se ha vuelto resistente a los medicamentos anti-VIH. El fármaco se muestra en las esferas grandes en el centro, y la proteasa se muestra con un tubo que sigue a la cadena de proteína. Las mutaciones se muestran en magenta y verde. Los científicos están utilizando estructuras como éste para entender la acción de los fármacos existentes y diseñar medicamentos nuevos y más potentes para combatir la farmacorresistencia. Usted puede explorar esta estructura por ir a la AP RCSB y la búsqueda de AP entrada 1sdv (Mahalingam et al. 2004) (www.pdb.org). Banco de Datos de Proteínas.

Las estructuras biomoleculares son de libre acceso

¿Qué es lo que los científicos hacen con toda la información sobre la estructura molecular? La biología estructural es uno de los primeros campos de la biología que hizo que los datos de la investigación primaria estuvieran directamente disponibles para el público en general. Estas estructuras atómicas han estado disponibles en el archivo de Protein Data Bank (PDB) desde 1971 (Bernstein et al . 1977). El APP es el repositorio central de las estructuras biomoleculares, y los investigadores de biología estructural normalmente depositan sus coordenadas poco después de la finalización de sus estudios. Después de este depósito, los datos son revisados, anotados y puestos a libre disposición por un consorcio de centros de datos denominado Worldwide PDB (Berman, Henrick y Nakamura 2003). La investigación comunitaria ha determinado que el acceso público es fundamental para el avance de la ciencia, por lo que la mayoría de las revistas y agencias de financiamiento tienen requisitos estrictos para el depósito de coordenadas (datos). En la actualidad, hay más de 65.000 entradas de las biomoléculas disponibles en el AP, resueltos y depositados por investigadores de todo el mundo.

Las estructuras biomoleculares se utilizan para descubrir nuevos medicamentos

¿Por qué es útil conocer la estructura atómica de las moléculas? Los archivos de datos coordinados que representan proteínas y ácidos nucleicos están disponibles gratuitamente en línea, y se utilizan realmente para muchos proyectos de investigación. Una de las aplicaciones más importantes de la estructura biomolecular de las drogas de diseño. Cuando se conoce la estructura de una proteína, se puede intentar diseñar moléculas pequeñas de fármacos que se unen a él y bloquear su función. La potencia de este enfoque se ha demostrado en la batalla contra el VIH y el SIDA. Muchos de los fármacos anti-VIH que están salvando vidas fueron descubiertos con la ayuda del conocimiento de las estructuras de las proteínas del VIH (Figura 1).

Las estructuras biomoleculares revelan los detalles atómicos de la vida

Las estructuras biomoleculares también han sido fundamentales para la comprensión de los mecanismos básicos que mantienen a las células vivas. Por ejemplo, las estructuras de la oxi y desoxi-hemoglobina revelaron la base atómica del alosterismo que controla la unión con el oxígeno, y las estructuras de la hemoglobina de las células falciformes revelaron la base atómica de una enfermedad que causa esa mutación (Figura 2). Con una estructura atómica, ha sido posible explorar el mecanismo detallado de las enzimas, y comprender cómo se estabilizan los complejos de transición. Las estructuras atómicas han revelado los movimientos complejos de proteínas motoras, incluyendo la flexión de la miosina de los músculos y los motores rotativos enlazados de la ATPsintetasa. Además, las estructuras atómicas han revelado la base de la función del sistema inmune, y han mostrado cómo los anticuerpos reconocen moléculas extrañas, y cómo la MHC señala una infección viral. Cada nueva estructura añade una nueva pieza en el rompecabezas de cómo funciona la vida.

Figura 2: La hemoglobina falciforme
Una mutación de la hemoglobina hace que las proteínas a agregarse en cadenas largas. Estas cadenas distorsionar las células rojas de la sangre en una forma de hoz, y causar problemas graves de circulación. Usted puede explorar la estructura de las fibras de hemoglobina en la entrada PDB 2hbs (Harrington, Adachi, y Royer, Jr. 1997). La estructura muestra cómo la mutación de aminoácidos, de color rojo brillante y naranja aquí, se unen a las moléculas de hemoglobina vecinos, la estabilización de la fibra (www.pdb.org). Banco de Datos de Proteínas.

Los científicos diseñan nuevas máquinas moleculares basadas ​​en estructuras biomoleculares

Las estructuras biomoleculares también han abierto una nueva disciplina de la ingeniería biomolecular y bionanotecnología. Con la comprensión ha llegado el control, y los investigadores están modificando ahora las biomoléculas existentes para nuevas funciones, o incluso diseñando biomoléculas completamente nuevas. Por ejemplo, los científicos están diseñando y construyendo estructuras a nanoescala con ADN (Figura 3). Uno de los grandes retos de ingeniería biomolecular es la predicción de la estructura de la proteína desde la secuencia de aminoácidos de la cadena. Ya se han dado grandes pasos hacia la solución de este problema difícil, apoyándose fundamentalmente en la enorme base de datos de estructuras de proteínas disponibles, pero la solución integral escapa todavía a la comunidad de investigadores.

Figura 3: Andamios de ADN
Nadrian Seeman ha trabajado durante años para diseñar andamios construidos a nanoescala de ADN. Recientemente, su equipo de científicos determinaron la estructura atómica de un buen diseño, construida de pequeños bloques de construcción triangulares. Cuando estos bloques de construcción se mezclan juntos en solución, que se auto-ensamblan para formar un enrejado nanoescala. Usted puede explorar esta estructura en AP entrada 3gbi (et al. Zheng 2009) (www.pdb.org). Banco de Datos de Proteínas.

Usted puede explorar estructuras biomoleculares en la RCSB Protein Data Bank

Los centros de datos wwPDB permiten que cualquiera pueda explorar de primera mano la estructura de las biomoléculas en el archivo PDB. Gran parte de la evidencia científica que apoya los conceptos más importantes de la célula y biología molecular se lleva a cabo en el archivo PDB, y los visitantes pueden ir directamente a las estructuras y explorar la base atómica de la función de una molécula. Sin embargo, dado que la AP es todo un repositorio de datos científicos, no se presenta como un libro de texto, con temas perfectamente ordenados y ejemplos presentados cuidadosamente. En su centro se encuentra el archivo de coordenadas atómicas. Estos archivos incluyen las coordenadas atómicas así como las anotaciones detalladas que describen la biología y los detalles experimentales. Los usuarios tienen dos problemas potenciales: primero, la búsqueda de un archivo de estructura que incluye la biomolécula deseada, y segundo, la visualización y la exploración de la estructura de archivos en una forma que muestra la propiedad de interés. El RCSB (Investigación Collaboratory estructural para Bioinformática) PDB localizado en www.pdb.org ofrece herramientas y recursos para ayudarle a enfrentarse a estos desafíos (Berman et al .2000).

¿Cómo puedo encontrar estructuras en el AP RCSB?

Muchas herramientas están disponibles en el RCSB para buscar una base de datos de entradas PDB. La herramienta principal es una función de búsqueda global que construye las consultas que usan una variedad de propiedades, desde los nombres de las moléculas a las secuencias de aminoácidos. Esto se complementa con otros enfoques para navegar a través de las estructuras, incluyendo la búsqueda de similitud de secuencias, las búsquedas de palabras clave del Genome Ontology project (Ashburner et al. , 2000), así como las descripciones de estructuras de dominio. Puesto que hay decenas de miles de estructuras disponibles, encontrar la estructura en que usted está interesado adentro puede ser difícil. El proyecto de RCSB Series Molécula del mes está diseñado para ayudarle con esto. En él se destaca en detalle una molécula diferente cada mes, y enlaces a las estructuras representativas de la base de datos.

El Banco de Datos de Proteínas: Estructura de Proteínas | aprender ciencias en Scitable

Transportadores químicos cerebrales: Resolver la paradoja de Ritalin – BrainFacts.org

Transportadores químicos del cerebro, como las que se muestran para el glutamato en amarillo, puede ser importante en la salud humana y la enfermedad, incluyendo TDAH.
Cortesía, con permiso: C. Cheng, G. Glover, Banker G., y Amara SG, 2002, The Journal of Neuroscience, 22:10643-52

Durante décadas, los investigadores han estado estudiando el déficit de atención con hiperactividad (TDAH), pero la identificación de los fundamentos científicos de la enfermedad ha sido todo un reto. En los últimos años, la investigación minuciosa a nivel molecular y celular ha dado lugar a importantes conocimientos nuevos.

Un aspecto que era particularmente desconcertante es por qué los estimulantes como el metilfenidato (Ritalin®) tienen un efecto calmante en las personas con TDAH, la llamada paradoja Ritalin. Curiosamente, el estudio de las drogas adictivas como la cocaína ha ayudado a responder a esta pregunta. Esto se debe a que la cocaína y el metilfenidato son bastante similares. La investigación ha demostrado que la cocaina y otros estimulantes bloquean las células de la eliminación de la dopamina, una sustancia química del cerebro que produce sensaciones placenteras.

¿Cómo funciona la dopamina? Durante las experiencias agradables, ésta se libera en la sinapsis, el espacio con que se comunican las células cerebrales. A continuación, se une a los receptores en la célula receptora que específicamente la reconocen y responden a la dopamina. En la célula de origen, el transportador de dopamina es responsable de la re-captación y almacenamiento del exceso de dopamina en la sinapsis. La cocaína bloquea los transportadores de dopamina, provocando que se acumule ésta en la sinapsis.

Este descubrimiento abre la puerta a una nueva vía de investigación. La investigación sobre los transportadores de dopamina la realizó el equipo de Susan Amara. Susan Amara y sus colegas descubrieron cómo clonar el gen de otro transportador, la norepinefrina.

Este avance permitió a Amara y otros identificar y estudiar los genes de muchos transportadores de neurotransmisores, incluyendo el transportador de dopamina. Ahora, los investigadores podrían estudiar cómo las drogas interactúan con los transportadores, como los transportadores funcionan en condiciones diferentes, y la forma en que están regulados. También pueden crear ratones sin ningún transportador en absoluto.

Calmando la hiperactividad en ratones

El papel de los transportadores de dopamina en la paradoja de Ritalin se hizo evidente una vez los investigadores del laboratorio Marc Caron comenzaron a estudiar su función en ratones «knockout»: ratones criados con falta de transportadores de dopamina falta. Los estudios demostraron que estos ratones no pudieron limpiar la dopamina. En cuanto a su comportamiento, los ratones eran hiperactivos, al igual que los niños con TDAH. En este punto, la relación entre la dopamina y TDAH empezó a vislumbrarse. Se aclaró aún más cuando los investigadores dieron a los ratones knockout cocaína o anfetaminas. Al igual que muchos niños con TDAH que toman Ritalin, los medicamentos calmaron las ratas, lo que sugiere que sin transportadores de dopamina, los estimulantes se comportan de manera muy diferente.

Investigaciones posteriores, sin embargo, plantearon la duda de que los ratones knockout eran demasiado distintos de los niños con TDAH, que no carecen de transportadores de dopamina, para ser un buen modelo de investigación. Para solucionar este problema, los científicos consiguieron «knockdown» ratones, ratones con pocos transportadores de dopamina. Aunque no tan afectados como los knockouts, los ratones eran también hiperactivos. Y del mismo modo, las drogas estimulantes calmaron a estos ratones. Este estudio proporciona evidencia adicional de la conexión entre la hiperactividad y el transportador de dopamina.

La investigación se extiende a los seres humanos

La investigación en las personas ha confirmado estos estudios con ratones. Utilizando tomografía por emisión de positrones (TEP), los investigadores compararon la actividad cerebral de los adultos con y sin TDAH. El estudio sugiere que las personas con TDAH tienen niveles más bajos de receptores de la dopamina y transportadores que otros adultos sanos.

Recientemente, los investigadores en el laboratorio de Randy Blakely, uno de los primeros colaboradores de Amara, identificó un cambio en la secuencia del gen del transportador de dopamina relacionados con el TDAH en las personas. La investigación mostró que este cambio genético altera la distribución y función de los transportadores de dopamina en las células. Esta investigación nos acerca a la comprensión las bases celulares y moleculares del TDAH.

Visto en conjunto, este núcleo del trabajo está empezando a enfocar todo hacia que el TDAH es el resultado del deterioro de la función del sistema de la dopamina. A partir de la investigación inicial de Amara de la función del transportador, los investigadores están cada vez más cerca de identificar cómo el TDAH afecta al cerebro y por qué un estimulante es un tratamiento eficaz. Esta investigación podría algún día identificar los medicamentos que pueden ser el blanco de este sistema, aliviando los problemas asociados con el TDAH.

Transporters químico cerebral Resolver la paradoja de Ritalin – BrainFacts.org.

Las mitocondrias y la respuesta inmune | Scitable

Debido a sus similitudes con las bacterias, las mitocondrias en realidad pueden desencadenar una enfermedad grave en el hombre. ¿Cómo pueden estos orgánulos dentro de nuestros cuerpos de repente convertirse en una amenaza?

Por: Laura Vargas-Parada, Ph.D. (Dept. de Biología, Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de México) © 2010 Nature Education 

Desde los primeros cursos de biología de la escuela, muchos de nosotros sabemos que las mitocondrias son los orgánulos encargados de suministrar energía a las células de nuestro cuerpo. Ellas proporcionan energía a través de su capacidad para convertir la glucosa en trifosfato de adenosina o ATP, que es la principal fuente de energía para las funciones celulares. Curiosamente, los científicos han aprendido que las mitocondrias evolucionaron de bacterias hace mucho, mucho tiempo. Debido a sus similitudes con las bacterias, las mitocondrias en realidad pueden desencadenar enfermedades graves en el hombre. ¿Cómo pueden los orgánulos dentro de nuestros cuerpos de repente convertirse en una amenaza?

El origen de las mitocondrias como organelos celulares: Teoría Endosimbiotica

En el siglo XIX, el botánico Andreas Schimper fue el primero en sugerir la idea de que algunos orgánulos evolucionaron a partir de la unión simbiótica de dos organismos diferentes. Mientras observaba la división de cloroplastos en las plantas verdes, notó el parecido de los cloroplastos de vida libre con cianobacterias. En las primeras décadas del siglo XX, otro botánico, Konstantin Mereschkowski, recuperó la idea Schimper con la propuesta de la teoría de la simbiogénesis, lo que sugiere que los cloroplastos proceden de cianobacterias simbióticas. Mientras tanto, Ivan Wallin Emanuel propuso que las mitocondrias provenían de bacterias. Sus ideas fueron ignoradas hasta la década de 1960, cuando la teoría finalmente resurgió. Por entonces, los científicos tenían microscopios electrónicos a su disposición para estudiar las células con mayor detalle. Los científicos ahora pueden ver los orgánulos celulares y entidades que son tan pequeños como unas pocas micras. Con esta ayuda visual revolucionaria, los investigadores descubrieron que las mitocondrias tienen su propio ADN situado en el interior del orgánulo en forma de cromosomas circulares, una observación que se confirmó posteriormente mediante métodos bioquímicos (Nass y Nass 1963; Haslbrunner, Tuppy, & Schatz 1964).

En 1967, Lynn Margulis (entonces Lynn Sagan) reunió diversas observaciones microbiológicas para apoyar lo que ahora se conoce como la teoría de la endosimbiosis. Su publicación jugó un papel crucial en el origen de los eucariotas (células con un núcleo, como los de plantas y animales). Sin embargo, en ese momento, su artículo fue rechazado por quince revistas científicas antes de ser aceptado para su publicación en el Journal of Theoretical Biology. De acuerdo con la teoría endosimbiótica propuesta por Margulis, las mitocondrias evolucionaron a partir de antiguos procariotas simbióticos (organismos sin núcleo, tales como bacterias) que fueron absorbidos por otros procariotas de vida libre (Sagan 1967) (Figura 1). Como se puede sospechar de los problemas a los que que se enfrentó Margulis cuando trató de publicar su artículo, esta teoría no tuvo una amplia aceptación de inmediato. De hecho, pasaron décadas hasta que los científicos empezaron a aceptar su hipótesis y comenzaron a llamarla una nueva teoría.

Figura 1: La endosimbiosis
Las mitocondrias se originó endocitosis siguiente de una proteobacteria por otra célula procariota.© 2004 Nature Publishing Group Timmis, JN et al.Endosymbiotic transferencia de genes: los genomas de orgánulos forjar cromosomas eucarióticos. Nature Reviews Genetics 5, 123-135 (2004)

La Evidencia

¿Qué evidencia utilizó Margulis para apoyar su idea? Cabe recordar que en ese momento, los científicos podían examinar las células bajo el microscopio, romperlas (lisis) y estudiar la química de los componentes celulares, pero no podian examinar secuencias de ADN. Margulis utilizó una serie de evidencias para apoyar su teoría. Señaló que las mitocondrias son cuerpos auto-replicantes. Las Mitocondrias están rodeadas por dos o más membranas, y la más interna de estas membranas es muy similar en composición a las bacterias. Tanto las mitocondrias y los cloroplastos tienen su propio ADN, lo que por entonces se sabía que contenía el material hereditario de los organismos. El ADN mitocondrial tiene una estructura circular simple, que es estructuralmente similar al ADN de bacterias y es más o menos del mismo tamaño. Los ribosomas mitocondriales, enzimas, y sistemas de transporte son todos similares a los de las bacterias. Además, las mitocondrias son aproximadamente del mismo tamaño que las bacterias.

Con la llegada de las metodologías de biología molecular, creció la cantidad de pruebas que apoyaba la teoría endosimbiótica. Por ejemplo, mediante el uso de la secuencia genómica y el análisis filogenético, los científicos han demostrado que el ADN mitocondrial tiene motivos estructurales similares al ADN bacteriano y que los genes mitocondriales se originaron dentro de Proteobacteria (un grupo de bacterias gram-negativas que tienen en común secuencias de RNA ribosómico) (Gray, Burger , y Lang 2001; Andersson et al 2003). En un ulterior desarrollo emocionante, la teoría endosimbiótica cruzó los campos del conocimiento para ayudar a los médicos a resolver un misterio que se había estado observando durante años en las salas de urgencias. Lo que sigue es la historia de cómo las mitocondrias están relacionadas con la respuesta inmune inflamatoria en pacientes de cuidados intensivos.

Un misterio en la sala de urgencias: Las mitocondrias y la respuesta inflamatoria

Durante años, los médicos que trabajan en unidades de cuidados intensivos han observado similitudes entre dos fenómenos diferentes: el Síndrome de Respuesta Inflamatoria Sistémica  (SIRS) y la sepsis. Los pacientes que sobreviven a un traumatismo grave o lesión física pueden desarrollar SIRS, una complicación que puede ser potencialmente mortal. SIRS se caracteriza por fiebre, aumento del ritmo cardíaco y la presión arterial baja, resultando en un choque generalizado y que compromete la función de varios órganos. La sepsis, por otro lado, es un fenómeno bien caracterizado que se produce durante la respuesta inflamatoria sistémica a una infección grave.

Los médicos señalaron que SIRS y la sepsis tenía muchos de los mismos síntomas, y ambas condiciones mostraron similitudes clínicas ¿Pero cuál era la base fisiológica de estas similitudes? A primera vista, las dos condiciones parecen ser muy diferentes. En SIRS, la respuesta inflamatoria (la defensa del cuerpo a cualquier tipo de lesión) es provocada por una lesión física o trauma. Mientras tanto, la respuesta en la sepsis es causada por infecciones por diversos patógenos. Los científicos propusieron que el sistema inmune innato reconoce ciertas moléculas o «estimuladores» a través de receptores especializados conocidos como receptores de reconocimiento-patrón (RRP), dando lugar a vías de señalización molecular que dan lugar a una respuesta inflamatoria (Iwasaki y Medzhitov 2010). Así que, ¿cuáles son los «estimuladores» en la sepsis y en el SIRS?

Los científicos han descubierto ahora que el sistema inmune innato utiliza PRR como «sensores microbianos» para detectar un conjunto de moléculas conservadas evolutivamente que se encuentran en una variedad de patógenos. Estas moléculas se conocen colectivamente como patógenos asociados a patrones moleculares (PAMP), y se expresan en una amplia variedad de microorganismos, incluyendo aquellos que no causan la enfermedad. En los pacientes con infecciones graves como sepsis, PAMPs son los principales estimuladores «externos» de la respuesta inflamatoria.

En 1994, Polly Matzinger propone que el sistema inmune no sólo responden a los patógenos, sino también responde a alarmas intracelulares que se activan cuando moléculas endógenas se liberan en el cuerpo (Matzinger, 1994). En los años siguientes, los científicos han demostrado experimentalmente que varias moléculas endógenas son liberadas desde los tejidos dañados, y estas moléculas fueron nombradas como patrones moleculares de tejidos dañados (DAMPs). DAMPS son capaces de iniciar una respuesta inflamatoria similar a la producida por PAMPs (Lotze et al . 2007), incluso cuando no hay presentes infecciones microbianas. Así que, ¿por qué son las vías de señalización activadas por PAMPs en la sepsis («estimuladores» externos) y DAMPS en SIRS («estimuladores» internos o endógenos), tan similares y hacen que estas vías se solapen?

Resulta que nuestro conocimiento de las mitocondrias, que derivaron evolutivamente desde las bacterias y comparten motivos estructurales con procariotas, puede explicar por qué las vías de señalización activadas por disparos externos e internos son muy similares. Con esta idea en mente, Qin Zhang y sus colegas propusieron una hipótesis nueva e intrigante: Se sugiere que el ADN mitocondrial y sus proteínas pueden actuar como DAMPs, lo que provocaría las mismas vías activadas por las PAMPs bacterianas. Esta hipótesis explicaría las similitudes observadas entre la respuesta inmunitaria a la infección y la respuesta inmune a un trauma (Zhang et al. 2010).

Las mitocondrias y bacterias utilizan los mismos mecanismos para desencadenar respuestas inmunes

Para reunir pruebas para probar su hipótesis, Zhang y sus colegas observaron si DAMPs mitocondriales fueron puestos en libertad por pacientes con trauma después de una lesión grave. Suponiendo que las   mitocondrias se desarrollaron a partir de bacterias, buscaron dos PAMPs bacterianas conocidos: ADN y formilpéptidos. En un experimento, se midió la liberación de ADN mitocondrial a la circulación en pacientes con traumas importantes. Como era de esperar, se encontraron niveles muy altos de ADN mitocondrial en la sangre de los pacientes traumatizados en comparación con el de voluntarios de control (que no sufrió ningún daño). También detectaron altos niveles de ADN mitocondrial en los huesos con fracturas que fueron reparadas por los ortopedistas. Estas dos mediciones después de la lesión confirmaron que DAMPs mitocondriales se liberaron a la circulación después de lesiones corporales importantes.

Figura 2: PAMPs y DAMPs en la respuesta inflamatoria
Similar a la liberación de ADN bacteriano después de la sepsis, el ADN mitocondrial liberado por trauma grave también puede actuar a través del receptor-9 tipo toll (TLR9) para activar los neutrófilos mediante la activación de p38 MAP quinasa (MAPK). Del mismo modo, los péptidos formilados liberadas de bacterias y mitocondrias activar el receptor péptido formil-1 (FPR1) y atraer neutrófilos por el proceso de la quimiotaxis a sitios de inflamación y lesiones. En ambos casos, el resultado puede ser la lesión pulmonar aguda, que es parte del síndrome de respuesta inflamatoria sistémica (SIRS). Amortigua, los daños asociados a patrones moleculares; PAMPs, patógenos asociados a patrones moleculares.

¿De dónde provienen estas mitocondrias? Es muy probable que las lesiones causen lisis celular, degradación y descomposición del tejido (necrosis) y que se libere el contenido de las células, incluyendo las mitocondrias rotas. Debido a que cada célula contiene docenas de mitocondrias y hay miles de células dentro de los tejidos, el trauma grave puede resultar en la liberación de grandes cantidades de DAMPs mitocondriales a la sangre.

En otro experimento, el grupo de Zhang analizó cómo derivados de DAMPs mitocondriales activaban la respuesta inmune. Sólo las bacterias y las mitocondrias tienen sus proteínas N-formiladas, por lo tanto, son las únicas fuentes conocidas de N-formil péptidos en la naturaleza. Los formil-Péptidos pueden atraer neutrófilos, un tipo de glóbulo blanco que es esencial para el sistema inmune innato. También pueden activar los neutrófilos por unirse específicamente al receptor-péptido formil-1 (FPR1), que se encuentra en la superficie de estas células. La activación de los neutrófilos promueve la respuesta inflamatoria mediante la liberación de mediadores químicos y la activación de varias enzimas conocidas como quinasas MAP. Usando derivados mitocondriales de DAMPs, los científicos fueron capaces de activar FPR1 y MAP quinasas, lo que confirmó la presencia de formil péptidos en los DAMPs mitocondriales. El ADN mitocondrial puede unirse también a los neutrófilos a través de un receptor específico llamado el receptor 9 de tipo toll (TLR9) situado en su superficie. TLR9 es un miembro de los PRRS. Mediante la unión a TLR9, el ADN mitocondrial también puede activar las MAP quinasas (Figura 2). El grupo de Zhang concluyó que la respuesta inmune al daño que imita la sepsis es debido a que DAMPs mitocondriales activan los neutrófilos a través de PRRS y FPR1, que normalmente pueden ser activados por PAMPs bacterianos.

Tal vez la pregunta más interesante Zhang y sus colegas se hicieron fue si los DMAPs  mitocondriales circulantes pueden causar lesión de órganos producida por neutrófilos. Para responder a esta cuestión, se inyectaron por vía intravenosa DAMPS mitocondriales en ratas para determinar si se podría producir lesiones de órganos in vivo. Después de la exposición a los DAMPS, los animales se sacrificaron, y las muestras de sus órganos se tiñeron y se observaron bajo el microscopio. Ellos encontraron que las DAMPs mitocondriales produjeron inflamación sistémica en varios tejidos, incluyendo una «lesión pulmonar de signo inflamatorio», que es una de las principales causas de la insuficiencia respiratoria en pacientes críticamente enfermos (tales como aquellos con trauma severo). En contraste, las ratas de control no mostró evidencia de inflamación.

En la investigación científica, un nuevo descubrimiento a menudo abre la puerta a más preguntas. ¿Hay DAMPS adicionales asociados con los componentes mitocondriales que pueden desencadenar una respuesta inmune a un trauma? ¿La cantidad de DAMPs mitocondriales en libertad después de trauma determina el resultado clínico de un paciente? Además, pueden las altas cantidades de DAMPS circulantes ser utilizadas como un marcador para predecir la gravedad de la respuesta inflamatoria y la mortalidad?

Resumen

Las mitocondrias son no sólo las «pilas» de nuestras células, sino que también desempeñan un papel importante en el desencadenamiento de enfermedades graves. Zhang y sus colegas proporcionaron pruebas que indican que las mitocondrias son el eslabón perdido para explicar las similitudes observadas entre SIRS y sepsis. Un trauma severo libera DAMPs mitocondriales a la sangre donde son reconocidos por la inmunidad innata a través de PRRs y FPR1, que también son sensibles a bacterias. Debido a que los DMAPs mitocondriales han conservado evolutivamente similitudes con PAMPs bacterianas, la liberación de DMAPs mitocondriales conduce a un estado «como sepsis». Este nuevo modelo ofrece pistas para entender mejor cómo se desarrolla la respuesta inflamatoria sistémica. Lo que los científicos aún no saben es si el SIRS y la sepsis se pueden aliviar o prevenir mediante la inhibición de estas vías con compuestos farmacéuticos. Otras investigaciones seran necesarias para responder a estas preguntas.

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El hospital Carlos Haya aplica un chip para diagnosticar las alergias | EL PAÍS

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El hospital Carlos Haya de Málaga aplica un chip para hacer más preciso el diagnóstico de las alergias alimentarias. Este método emplea la sangre del paciente y utiliza 500 proteínas contenidas en la comida para determinar con exactitud qué alimentos son aptos para el consumo de los pacientes.

La precisión de este diagnóstico, que ya ha sido probado con 50 pacientes, ayuda también al tratamiento ya que las vacunas son más efectivas cuanto más definido esté el objetivo contra el que tienen que luchar.

Una empresa sueca ha sido la primera en introducir este sistema de diagnóstico en el mercado; sin embargo, son los investigadores de este hospital quienes lo han adaptado a la población mediterránea. Este proyecto ha sido apoyado por la Red Nacional de Alergias.

El hospital Carlos Haya aplica un chip para diagnosticar las alergias | Andalucía | EL PAÍS.

Las proteínas hechas a medida: Nature News & Comment

La estructura 3-dimensional de una proteína está estrechamente relacionado con su función. PASIEKA/ SCIENCE PHOTO LIBRARY

Los investigadores diseñan proteínas desde cero con estructuras predecibles. Jessica Marshall

Las proteínas son un enorme logro molecular: cadenas de aminoácidos que se pliegan espontáneamente en una conformación precisa, una y otra vez, optimizada por la evolución de su función particular. Sin embargo, dado el número de contorsiones exponencialmente posibles para cualquier cadena de aminoácidos, ha sido una tarea desalentadora averiguar qué estructura tendrá una secuencia.

Ahora, los investigadores informan de que se puede hacer precisamente eso. Al seguir un conjunto de reglas que se describen en un artículo publicado en Nature hoy¹, un equipo de laboratorio, el de David Baker, de la Universidad de Washington en Seattle, ha diseñado desde cero cinco proteínas que se pliegan de forma fiable en conformaciones predichas. En una prueba a ciegas, el equipo demostró que las proteínas sintetizadas aparecieron de acuerdo con las estructuras predichas.

«Realmente no hay un solo ejemplo anterior de una proteína que ha sido diseñada a partir de cero: eso es Top7 con lo hemos diseñado hace 10 años²«, dijo Baker, biólogo estructural por computadoras.»Top7 era una especie de caso único», dice. En el nuevo trabajo, el equipo presenta un enfoque generalizado. «Lo que tenemos ahora es un conjunto flexible de bloques de construcción para un montaje a nanoescala», dice Jeremy Inglaterra, un biofísico molecular del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge, que no participó en el trabajo.

Reglas de flexión

El trabajo fue encabezado por el equipo del matrimonio Nobuyasu Koga y Rie Tatsumi-Koga, ingenieros de proteínas del grupo de Baker. Después de observar la columna vertebral de las estructuras de miles de proteínas, desarrollaron algunas reglas intuitivas que querían probar. Las cadenas de proteínas forman típicamente hélices y otras estructuras secundarias clásicas que a su vez se pliegan en la forma final de la proteína. El equipo se dio cuenta de que estas estructuras se podrían hacer girar en un sentido o en otro en función de la longitud de los bucles que los conectan. Al elegir las longitudes de secuencia adecuadas entre estos bloques de construcción, el equipo pudo predecir en qué dirección iban a plegarse. Utilizando estos criterios y otros adicionales, el equipo desarrolló una serie de secuencias de plegamientos candidatos diseñadas para cada una de las cinco estructuras.

Ellos investigado estas secuencias utilizando un programa del grupo Rosetta@home, que utiliza la energía de sus ordenadores personales para ejecutar simulaciones de plegamiento de proteínas. Los voluntarios del Rosetta realizan el test de plegamiento cada secuencia cientos de miles de veces. Aproximadamente el 10% de las secuencias se habían predicho como estructuras que eran estables y se emparejaron como el equipo predijo. Entre las secuencias ganadoras no se han encontrado proteínas naturales conocidas.

Proteínas platónicas

El equipo sintetizó estas proteínas y las envió a Gaetano Montelione de la Universidad de Rutgers en Piscataway, en Nueva Jersey, que determinó las estructuras de las proteínas por resonancia magnética nuclear (RMN) sin haber visto las estructuras predichas. Luego compararon las dos versiones. «Es notable lo bien que ajustan las estructuras previstas de acuerdo con las estructuras de RMN de alta calidad», dice Montelione.

Las proteínas de Baker son en cierto sentido «ideales platónicos», dice: un eje central sencillo construído con todos los aminoácidos optimizados para doblarse en la estructura prescrita y estable. De esta manera se diferencian de las proteínas naturales, cuyas estructuras plegadas representan un compromiso entre los requisitos contrapuestos de una función óptima de plegado y los biológicos, que conducen a «frustrar» partes de la secuencia que puede ser esenciales para la función pero están desestabilizando la red. Como prueba de su estabilidad, las proteínas diseñadas funden a aproximadamente 100ºC, dice Koga, en comparación con los 40-50°C de una proteína natural.

Koga y Tatsumi-Koga confesaron que la competencia marital es el combustible de su trabajo. Hasta el momento, Tatsumi-Koga está ganando. Ella diseñó tres de las cinco proteínas que aparecen en el documento, dice Koga.

Uno podría preguntarse cómo el diseño de una nueva proteína de la nada podría ser mejor que empezar con las proteínas naturales, dada la ventaja que la naturaleza tiene en la evolución de las funciones efectivas y conformaciones estables. De hecho, la evolución ha perfeccionado la estructura de muchas proteínas de manera tan precisa que puede ser difícil conseguir que su columna vertebral cambie a a otra conformación para dar cabida a una nueva función, dice Baker. «Este estudio ofrece la oportunidad de diseñar la estructura y función al mismo tiempo», dice Baker. «En lugar de tomar un andamio ya existente, ahora usted puede diseñar una columna vertebral a fin de conseguir exactamente la función que desea llevar a cabo». Ese será el siguiente paso: la función a incorporar en los diseños. Nature  doi : 10.1038/nature.2012.11767

References

1. Koga, N. et al. Nature 491, 222–229 (2012).

2. Kuhlman, B. et al. 
Science 302, 1364–1368 (2003).

Las proteínas hecho a la medida: Nature News & Comment.

El Cilio primario: un orgánulo dual

¿Qué es un cilio primario? Aprender cómo este orgánulo puede ser a la vez un órgano receptor y uno de transporte

Los flagelos y cilios Eucariotas han sido reconocidos como orgánulos implicados en la motilidad, y tanto su estructura como su función han sido estudiados en detalle. Casi todos los cilios y flagelos móviles (secundarios) tienen la misma estructura interna y tienen esencialmente la misma función. Considerando que los flagelos son generalmente pocos en número (<5) y relativamente largos, los cilios son generalmente escasos y están presentes en gran cantidad (> 100) en una célula. La estructura se basa en una disposición de los microtúbulos «9 + 2»  en las que hay nueve pares de microtúbulos en todo el perímetro, con dos microtúbulos individuales que forman el par central. Adjunto a estos microtúbulos hay una variedad de estructuras tales como los brazos interior y exterior y los radiales (Figura 1).

Figura 1: primario (no móvil) los cilios de las células epiteliales renales y los cilios de conexión de los fotorreceptores retinianos son estructuras homólogas.
En el cilio primario (a) de las células epiteliales renales (b), las proteínas de carga son objeto de tráfico a lo largo de los rieles de microtúbulos de la pila aparato de Golgi a la punta del cilio usando el motor proteína kinesin II y hacia abajo utilizando el 1b dineína citoplásmica (no muestra) (c). De una manera análoga, aproximadamente 109 moléculas de la visual rodopsina pigmento se transfieren hacia arriba y hacia abajo los cilios de conexión en la retina humana cada día. Transporte IFT, intraflagellar. Los paneles A y C se modifican, con autorización, de la Sociedad Americana de Nefrología y Rockefeller University Press, en el orden correspondiente.

La función de los cilios es mover el agua con respecto a la célula con un movimiento regular. De este proceso puede resultar que la célula se mueva a través del agua, típico para muchos organismos unicelulares, o el agua en movimiento y su contenido a través de la superficie de la célula. Un ejemplo de esto último existe en las células epiteliales de la línea del tracto respiratorio humano, donde los cilios constantemente mueven el moco de los pulmones a la parte superior de la garganta; otro movimiento existe en las trompas de Falopio, donde los cilios mueven los óvulos por el tubo hacia el útero. Los científicos han sabido desde hace tiempo que los defectos en la motilidad ciliar conducen a trastornos específicos en los seres humanos, tales como la esterilidad en el caso del esperma con cilios defectuosos o una condición llamada situs inversus en el que los cilios embrionarios defectuosos hacen que órganos internos como el corazón terminen en el lado equivocado del cuerpo.

El cilio primario

Durante mucho tiempo, casi toda la atención estaba en los cilios inmóviles, porque su función es observable fácilmente. Pero los científicos, empezando por Alexander Kowalevsky había informado de la presencia de cilios únicos (no móviles) en una variedad de células de vertebrados (Kowalevsky 1867). Estos cilios solitarios y aparentemente no funcionales están mucho más extendidos que el tipo  móvil. Por ejemplo, en los seres humanos, sólo unos pocos tipos de células tienen cilios móviles,  tales como espermatozoides, células epiteliales de los bronquios y los oviductos, y células ependimales que bordean los hemisferios cerebrales. Pero prácticamente todas las otras células tienen un cilio primario. Del mismo modo, durante muchos años se supuso generalmente que el filum Nematoda, que comprende los gusanos redondos, carecía por completo de cilios o flagelos. Ahora se sabe que contienen cilios primarios, aunque sólo en las neuronas sensoriales.

¿Que hace de los cilios primarios diferentes de las formas móviles? En primer lugar, no tienen el par central de microtúbulos, lo que explicaría la falta de motilidad; formas mutantes en otros organismos, tales como Chlamydomonas, que carecen de la pareja central generalmente están paralizados (Adams et al. 1981). En los cilios primarios también parece que falta dineína, uno de los motores moleculares necesarios para la motilidad (Schliwa 2003). Además, algunos cilios primarios no se proyectan más allá de la superficie de la célula, y la mayoría, pero no todos, son muy cortos.

¿Qué significado tienen estos orgánulos si no se pega fuera de la célula, o se muevens? Muchos científicos pensaron que podría ser simplemente un vestigio del órgano, sin ningún papel real, mientras que otros pensaron que podría ser un lugar para «aparcar» centríolos cuando la célula no se divide. Sin embargo, incluso otros señalaron que los cilios primarios parecía aparecer en lugares clave que participan en la audición, la vista, y otro tipo de información sensorial. En la década de 1990, los científicos empezaron a mirar a los cilios primarios con creciente interés, pero el origen de este interés surgió a partir de un candidato inesperado.

Chlamydomonas y Transporte intraflagellar

Llegados a este punto, la historia tomó un giro extraño. Como sucede a menudo en la ciencia, el trabajo en un campo aparentemente sin relación proporcionó una información clave que cambió la forma de pensar acerca de ello. El alga verde Chlamydomonas ha sido un organismo muy popular para estudiar la estructura y función de los flagelos desde la mitad del siglo XX. Con los años, decenas de científicos habían utilizado Chlamydomonas a aprender mucho sobre la estructura y función de los flagelos (Luck 1984; Silflow y Lefebvre 2001), pero se sabía mucho menos acerca de cómo se ensamblaban. En 1993, el descubrimiento del sistema de transporte intraflagellar (IFT), un sistema de transporte intracelular que tanto construye y mantiene los cilios como los flagelos, comenzó a dar respuesta a este problema (Kozminsky et al . 1993). Una rama de este descubrimiento de IFT fue la observación clave que una de las proteínas implicadas en la función IFT era la misma que pareciá estar involucrada en una enfermedad llamada enfermedad poliquística del riñón (PKD) en ratones (Pazour et al. 2000). Las células que recubren la nefrona de los riñones tienen cilios primarios, y los ratones que tienen este trastorno son incapaces de reunir los cilios correctamente debido a sus proteínas defectuosas. PKD, que es el trastorno genético más frecuente de los riñones en seres humanos (Wilson 2004), se convirtió en el primero de una serie de enfermedades que son ahora reconocidas como defectos en el funcionamiento de los cilios primarios. Los cilios primarios (Figura 2).

Figura 2: Diagrama de la estructura ciliar
El orgánulo es unido a la membrana y contiene los microtúbulos múltiples que se ejecutan a lo largo de su longitud. Considerando que los cilios primarios tienen una estructura adicional relativamente pequeña, cilios móviles tienen tanto un doblete central de microtúbulos, así como interior y brazos externos de dineína y radios radiales, que son todos necesarios para la motilidad.

Los cilios como receptores sensoriales

Si los cilios primarios no puede moverse, ¿qué hacen? Los defectos en los cilios primarios pueden causar enfermedades, lo que sugiere que tienen un papel activo que desempeñar, pero ¿cuál es este papel? El examen cuidadoso de las células del túbulo renal mostró que los cilios primarios se curvan cuando se exponen al líquido en movimiento (como sería el caso de los riñones trabajando). Las células que fueron expuestas a un flujo de líquido mostraron una respuesta muy específica (Figura 3).

igura 3: El efecto del flujo de fluido en la captación de calcio en las células normales del riñón y PKD
Los cilios primaria en las células normales responden a la señal mecánica producida por el líquido que fluye para iniciar una rápida absorción de calcio. PKD células que carecen de cilios primarios, no muestran respuesta a fluir.

Los resultados fueron interpretados como que los cilios primaria normales estaban actuando como sensores llamados mecanorreceptores, en respuesta al flujo por la apertura de canales de calcio y permitiendo una rápida afluencia de iones de calcio en las células. ¿Si cilios primaria puede actuar como un tipo de receptor, puede que también actúan como otros tipos? Sí, absolutamente. Además de actuar como mecanorreceptores, hay ejemplos de los cilios primarios que se utilizan para detectar productos químicos, la luz, la osmolaridad, la temperatura, y la gravedad (Satir, Pedersen, y Christensen 2010). Si cilios primarios son frecuentemente una variedad de receptores, no sería ninguna sorpresa que también estuvieran involucrados en la señalización. Además de en la transducción simple de señales, ahora también se considera que tiene un papel importante en una variedad de procesos, incluyendo el desarrollo e incluso algunos tipos de memoria. Einsteinet al. (2010) han demostrado que la presencia de un receptor de somatostatina en los cilios primarios de ratones (SST₃) se requiere para aprender a reconocer objetos nuevos o para recuperar los más familiares.

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Las vacuolas vegetales y la regulación de la apertura de estomas (I) | Scitable

Figura 1: Las vacuolas de las células vegetales. Proteínas vacuolares se sintetizan y se procesan en el retículo endoplásmico (ER), y se transfieren a vacuolas a través de diversas rutas, por ejemplo, directamente, a través de aparato de Golgi (G), o por medio de un compartimento prevacuolar (PVC). Delgadas provacuolas se forman por brotes y fusión de vesículas procedentes de la red trans del Golgi. Con la progresión de la expansión celular, provacuolas gradualmente se fusionan unas con otras y forman una vacuola prominente más grande. © 2004 Nature Publishing Group Brandizzi, F. & Hawes, C. Un largo y sinuoso camino. EMBO reports 5, 245-249 (2004)

Por: Zhong Ma, Ph.D. (Biología Dept., Truman State University) © 2010 Nature Education  Cita:  Ma, Z.  (2010). Vacuolas vegetales y Regulación de apertura de los estomas,  Nature

¿Cómo respiran las plantas a través de los estomas? Unos elementos reguladores clave de estomas son las vacuolas de las plantas, orgánulos llenos de líquido unidos por una sola membrana llamada tonoplasto.

Abstract

Las vacuolas de las plantas son orgánulos ubicuos que son esenciales para múltiples aspectos de crecimiento de las plantas, su mantenimiento y el desarrollo. Su papel clave en los movimientos de los estomas resalta su importancia en el intercambio de gases para las plantas. Los científicos están desarrollando activamente los mecanismos exactos que controlan la fusión vacuolar, que soporta los movimientos de los estomas, así como otras funciones celulares de las plantas. Además de su papel en el control del intercambio gaseoso fotosintético, las vacuolas también albergan compuestos que pueden ayudar a proteger fotosistemas en los cloroplastos de los daños causados ​​por el exceso de luz. Las vacuolas son compartimentos importantes en el metabolismo de las células vegetales.

Una vacuola intacta es necesaria para las funciones de muchas plantas. Los científicos están trabajando para identificar y caracterizar un grupo grande y diverso de los transportadores de membrana en el tonoplasto. Se preguntan: ¿Cuál es su estructura molecular? ¿Qué es lo que hacen?¿Cómo podrían estar relacionados? Entender las respuestas a estas preguntas es importante, ya que muestran cómo las vacuolas son un componente integral de las complejas redes celulares. Con los datos mencionados, las vacuolas son cruciales para las células vegetales, ya que permiten los mecanismos de intercambio de gases que optimizan las condiciones metabólicas en el citosol, y permiten que una planta para reaccionar a las condiciones ambientales cambiantes.

Artículo (I)

Al igual que los animales, las plantas respiran. El intercambio de gases dentro y fuera de una hoja de la planta se produce en el envés de las hojas, y el proceso se regula con precisión. ¿Cuáles son los gases que se intercambian en la superficie de las hojas? El proceso bioquímico para la producción de energía principal en las plantas es la fotosíntesis, un proceso que, iniciado por la energía del sol, convierte CO ₂ y el agua en moléculas de energía (carbohidratos) para la planta y evacúa O ₂ a la atmósfera. En este proceso, las hojas toman CO ₂ de la atmósfera y liberan O ₂ de nuevo al aire. ¿Cómo realizan las plantas estas actividades de intercambio de gases entre las células de las hojas y el medio ambiente al aire libre? Los científicos descubrieron que un orgánulo singular, la vacuola, juega un papel crítico en la regulación de la entrega de CO ₂ para la realización de fotosíntesis en los cloroplastos.

Las vacuolas de plantas son orgánulos llenos de líquido rodeados por una membrana única llamada tonoplasto, y contienen una amplia gama de iones inorgánicos y moléculas. Los científicos han identificado al menos dos tipos de vacuolas en las plantas. Los dos tipos principales son las vacuolas de almacenamiento de proteínas de pH neutro, y las vacuolas líticas de pH ácido, que son equivalentes en su función a los lisosomas en las células de los mamíferos (Figura 1).

Los cambios en el tamaño de las vacuolas están correlacionados con los movimientos estomáticos

Durante la fotosíntesis, las hojas toman en la atmósfera CO ₂ y la liberan de O ₂ a través de los estomas, poros microscópicos  de la epidermis foliar (singular = stoma). Un par de células de guarda u oclusivas rodea cada estoma, y estas células controlan la apertura y el cierre del poro estomático entre ellas. Las células oclusivas o guarda regulan esta apertura y cierre en respuesta a una amplia variedad de señales ambientales, tales como ritmos día /noche, disponibilidad de CO ₂ y la temperatura. ¿Por qué las plantas gastan energía en la apertura y cierre de estos estomas, cuando podrían dejarlos permanentemente abiertos, y dejan que el CO ₂ fluya libremente? La razón principal es que los estomas también regulan el paso de moléculas de agua. Si los estomas estuvieran constantemente abiertos, las plantas perderían demasiada agua por la evaporación de la superficie de la hoja, un proceso llamado transpiración.

Una característica especial de células de guarda es que pueden aumentar o disminuir su volumen, cambiando así su forma. Esta es la base para la apertura y cierre de un estoma, conocido como movimiento estomático, que controla el intercambio de gases necesario para la fotosíntesis y limita la pérdida de agua. ¿Cómo las células guardianas cambian su volumen para controlar la apertura y el cierre? Lo hacen mediante el cambio de la presión osmótica de las vacuolas, que pueden ganar o perder agua, y por lo tanto aumentar o disminuir su tamaño. Tales cambios en el volumen vacuolar son bastante rápidos y espectaculares. Esto puede ser problemático, ya que, a diferencia de un globo en rápida expansión, las membranas biológicas son más limitadas en su elasticidad y no permiten un estiramiento excesivo. ¿Cómo entonces el tonoplasto aumenta su superficie de modo que la vacuola se pueda expandir rápidamente (Fig. 2)? Los científicos todavía saben muy poco acerca de este proceso dinámico, y están buscando activamente un mecanismo que posiblemente ofrece repuestos (almacenes) de membrana para la tonoplasto para dar cabida a un cambio de volumen rápido.

Figura 2: La expresión de la proteína verde fluorescente (GFP) fusionada con una proteína tonoplasto AtCLCa, que muestra el límite de tonoplasto.El límite de tonoplasto en protoplastos se etiqueta en verde. Izquierda, con sistemas de escaneo Imagen de microscopía confocal de fluorescencia de GFP, centro, imagen transmitida microscopía de luz, imagen derecha, resultante de la fusión de imágenes de la izquierda y el centro. Las barras de escala = 16 micras.

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Adhesión y comunicación celular | Aprender ciencias en Scitable

Todas las células se basan en la señalización celular para detectar y responder a las señales de su entorno. Este proceso no sólo promueve el buen funcionamiento de las células individuales, sino que también permite la comunicación y coordinación entre los grupos de células, incluyendo las células que componen las comunidades organizadas llamadas tejidos. Debido a la señalización célular, los tejidos tienen la capacidad de llevar a cabo tareas que una sola célula no podría lograr por sí sola.

Los diferentes tipos de tejidos, tales como huesos, cerebro, y el revestimiento del intestino, tienen características relacionadas con el número y los tipos de células que contienen. El espacio intercelular (matriz) es también crítico para la función del tejido, por lo que esta geometría está regulada con precisión. Para conservar la arquitectura del tejido adecuadamente, las moléculas adhesivas ayudan a mantener el contacto entre las células y estructuras cercanas, y las uniones diminutas tipo túnel permiten el paso de iones y pequeñas moléculas entre las células adyacentes.

Mientras tanto, las moléculas de señalización transmiten información de posición entre las células de un tejido, así como entre estas células y la matriz extracelular. Estas vías de señalización son críticas para mantener el estado de equilibrio que se conoce como homeostasis dentro de un tejido. Por ejemplo, los procesos implicados en la cicatrización de heridas dependen de la información posicional a fin de que la arquitectura del tejido normal a ser restaurado. Tales señales posicionales son también cruciales para el desarrollo de las estructuras adultas en los organismos multicelulares. En el desarrollo de ciertos tejidos, algunos grupos de células desorganizadas crecen y se ordenan a si mismas de acuerdo con las señales que envían y reciben.

¿Cómo promueven las integrinas la estructura tisular y su función?

Dentro de los tejidos, hay moléculas adhesivas que permiten a las células mantener contacto entre sí y con las estructuras de la matriz extracelular. Una clase especialmente importante de moléculas adhesivas son las integrinas. Las integrinas son algo más que enlaces mecánicos sólo: también transmiten señales tanto hacia fuera como hacia las células. De esta manera, las integrinas juegan un papel importante en la detección del medio ambiente y el control de la forma celular y la motilidad.

Las integrinas son una familia diversa de proteínas transmembrana que se encuentran en todas las células animales. Incluso los animales simples, como las esponjas tienen estas proteínas. Cada integrina individual consta de dos partes principales: una subunidad alfa y una subunidad beta. Existe una gran variación entre las subunidades alfa y beta por la gran variedad de integrinas observados en todo el reino animal. Por ejemplo, los seres humanos por sí solos tienen más de 20 tipos diferentes de integrinas.

Las integrinas vinculan el citoesqueleto de actina de una célula a varias estructuras externas. La porción citoplásmica de cada molécula de integrina se une a proteínas adaptadoras que se conectan a los filamentos de actina dentro de la célula. La parte extracelular de la integrina se une a moléculas de la matriz extracelular o a la superficie de otras células. Los anclajes de integrinas a las células vecinas pueden romperse y reformarse a medida que una célula crece (Figura 1).

Figura 1: La integrina conecta la matriz extracelular con el citoesqueleto de actina en la célula.

¿De qué otra manera se mantienen en contacto las células dentro de un tejido?

Más allá de las integrinas, las células dependen de varias proteínas adhesivas para mantener el contacto físico. Como ejemplo, consideremos las células epiteliales que revisten las superficies interior y exterior del cuerpo humano incluyendo la piel, los intestinos, las vías respiratorias y el tracto reproductivo. Estas células proporcionan un ejemplo dramático de los diferentes tipos de uniones célula a célula, pero estas uniones también existen en una amplia variedad de otros tejidos.

Las superficies laterales de las células epiteliales están estrechamente relacionadas con las de las células vecinas, formando una lámina que actúa como una barrera. Dentro de esta hoja, cada célula individual tiene una orientación de conjunto. A través de las integrinas, el extremo basal de cada celda se conecta a una capa especializada de matriz extracelular llamada la lámina basal . En contraste, el extremo apical de cada célula se enfrenta al exterior como la cavidad interior o lumen del intestino.

Las uniones lado a lado, que unen las células epiteliales, son variadas en su composición y función. Las proteínas transmembrana adhesivas de anclaje de estas uniones tienen porciones extracelulares que interactúan con proteínas similares en las células adyacentes. Complejos de proteínas dentro de cada celda adicional conectan las proteínas adhesivas transmembrana con el citoesqueleto. En particular, los complejos de adaptación se unen en las uniones adherens al citoesqueleto de actina, y otros complejos de adaptación se unen en los desmosomas a los filamentos intermedios. Ambos tipos de complejos de unión proporcionan soporte mecánico a células y tejidos, y adicionalmente reclutan moléculas de señalización intracelular a la información posicional al núcleo.

Las uniones estrechas (puntos azules) entre las células se conectan las áreas de la membrana plasmática que unen las células. Las uniones adherentes (puntos rojos) se unen a los filamentos de actina de las células vecinas entre sí. Los Desmosomas son conexiones aún más fuertes que unen a los filamentos intermedios de las células vecinas. Semidesmosomas (luz azul) conectan los filamentos intermedios de una célula a la lámina basal, una combinación de moléculas extracelulares en las superficies celulares. Las uniones tipo Gap (amarillo) son grupos de canales que forman túneles de conectividad acuosa entre las células.

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Los ribosomas, Transcripción, Traducción | Nature | Scitable

La información genética almacenada en el ADN es un archivo viviente de instrucciones que las células usan para llevar a cabo las funciones de la vida. Dentro de cada célula, algunos catalizadores buscan la información apropiada de los «archivos» y la utilizan para construir nuevas proteínas – proteínas que forman las estructuras de la célula, ejecutan las reacciones bioquímicas y a veces se fabrican para su exportación. Aunque todas las células que componen un organismo multicelular contienen idéntica información genética, las células funcionalmente diferentes dentro del organismo utilizan diferentes conjuntos de catalizadores para expresar sólo partes específicas de estas instrucciones para llevar a cabo las funciones de la vida.

¿Cómo se transmite la información genética en las células en división? 

Cuando una célula se divide, se crea una copia de su información genética – en la forma de moléculas de ADN – para cada una de las dos células hijas resultantes. La precisión de estas copias determina la salud y características hereditarias de las células resultantes, por lo que es esencial que el proceso de replicación de ADN ser tan preciso como sea posible (Figura 1).

Figura 1: la replicación del ADN de la cadena adelantada y atrasada. La helicasa descomprime el ADN de doble cadena para la replicación, por lo que forma una estructura bifurcada. La primasa genera hebras cortas de ARN que se unen al ADN de cadena sencilla para iniciar la síntesis de ADN por la ADN polimerasa. Esta enzima puede trabajar sólo en la 5 ‘a 3’, de modo que se replica la principal línea continua. La línea atrasada tiene una replicación discontinua, con cortos fragmentos de Okazaki  que se estan formando y posteriormente son unidos entre sí.

Figura 2: Cada nucleótido tiene una afinidad por su socio: los pares A con T, y pares C con G

Un factor que contribuye a garantizar la precisa replicación es la estructura de doble hélice del ADN en sí. En particular, las dos hebras de la doble hélice de ADN se componen de combinaciones de moléculas llamadas nucleótidos. El ADN se construye a partir de tan sólo cuatro nucleótidos diferentes, cada uno de los cuales lleva el nombre de la base nitrogenada que contiene: adenina (A), timina (T), citosina (C), y guanina (G). Además, los nucleótidos que forman una cadena de la doble hélice del ADN siempre enlazann con los nucleótidos de la otra cadena de acuerdo a un patrón conocido como el apareamiento de bases complementarias- específicas, de forma que los pares A siempre van con los T, y los pares C siempre con G (Figura 2 ). Así, durante la división celular, las hebras apareadas se desenredan y cada hebra sirve como plantilla para la síntesis de una nueva cadena complementaria.

En la mayoría de los organismos multicelulares, cada célula lleva el mismo ADN, pero esta información genética se utiliza de diversas maneras por diferentes tipos de células. En otras palabras, lo que una célula «significa» dentro de un organismo es lo que los dictados de sus genes expresan. Las células nerviosas, por ejemplo, sintetizan una gran cantidad de sustancias químicas llamadas neurotransmisores, que se utilizan para enviar mensajes a otras células, mientras que las células musculares se cargan con filamentos a base de proteínas necesarias para las contracciones musculares.

¿Cuáles son los pasos iniciales para acceder a la información genética?

La transcripción es el primer paso en la descodificación de la información genética de una célula. Durante la transcripción, las enzimas llamadas ARN polimerasas construyen moléculas de ARN que son complementarias a una porción de una cadena de la doble hélice de ADN (Figura 3).

Figura 3. La ARN polimerasa (verde) sintetiza una hebra de RNA que es complementaria a la cadena molde de ADN por debajo de ella.

Figura 4: ADN (parte superior) incluye timina (rojo); en ARN (parte inferior), la timina se sustituye por uracilo (amarillo)

Las diferentes moléculas de ARN que provienen de moléculas de ADN tiene características definidas: son de una sola cadena en lugar de doble hebra; su componente de azúcar es una ribosa en lugar de desoxirribosa y tienen la base nitrogenada uracilo (U) en lugar de timina (T) (Figura 4) . También, debido a que son hebras individuales, las moléculas de ARN no forman hélices, sino que se pliegan en estructuras complejas que están estabilizadas por un apareamiento de bases complementarias internamente. Tres clases generales de moléculas de ARN están implicadas en la expresión de los genes codificados en el ADN de una célula.

El ARN mensajero (ARNm) lleva las secuencias codificantes para la síntesis de proteínas y se llaman transcripciones; el RNA ribosómico (rRNA), moléculas que forman el núcleo de los ribosomas de una célula ( las estructuras en las que la síntesis de proteínas se lleva a cabo), y el ARN de transferencia (ARNt) moléculas que llevan aminoácidos a los ribosomas durante la síntesis de proteínas. En las células eucariotas, cada clase de ARN tiene su propia polimerasa, mientras que en las células procarióticas, un único ARN polimerasa sintetiza la clase diferente de ARN. Existen otros tipos de ARN que no entendemos todavía muy bien aunque parecen jugar un papel regulador en la expresión de genes y también estar involucrados en la protección contra los virus invasores.

El ARNm es la clase más variable de ARN, y hay literalmente miles de moléculas de ARNm diferentes presentes en una célula en un momento dado. Algunas moléculas de ARNm son muy abundantes, en número de cientos o miles, como suele suceder con las transcripciones de codificación de proteínas estructurales. Otros mRNAs son muy raros, tal vez con un solo ejemplar presente, como suele ser el caso de las transcripciones que codifican las proteínas de señalización. Los mRNAs también varían a lo largo de su larga vida. En eucariotas, en las transcripciones de las proteínas estructurales pueden permanecer intactos durante más de diez horas, mientras que las transcripciones de las proteínas de señalización puede ser degradados en menos de diez minutos.

Las células se pueden caracterizar por el espectro de moléculas de ARNm presentes en ellas; este espectro se llama el transcriptoma. Considerando que cada célula en un organismo multicelular lleva el mismo ADN o genoma, su transcriptoma varía ampliamente según el tipo y función celular. Por ejemplo, las células productoras de insulina del páncreas contienen transcripciones de insulina, pero las células de hueso no. A pesar de que las células óseas llevar el gen de la insulina, este gen no se transcribe. Por lo tanto, la definición de transcriptoma puede ser una especie de catálogo de todos los genes que se expresan en una célula en un punto particular en el tiempo.

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Estructura química del ARN | RNA Tie Club

Con el descubrimiento de la estructura molecular del ADN de doble hélice en 1953, los investigadores se volvieron hacia la estructura de ácido ribonucleico (RNA) como el siguiente puzzle crítico a resolver en el camino a la comprensión de la base molecular de la vida. En efecto, el ARN puede ser la única molécula que inspiró la formación de un club, conocido como el RNA Tie Club, cuyos miembros incluyen Premios Nobel James Watson y Francis Crick, los descubridores de la estructura del ADN, así como Sydney Brenner, quien fue galardonado el Premio Nobel en 2002 por su trabajo relacionado con la regulación de los genes en el organismo modelo Caenorhabditis elegans. Los miembros de este club, cada uno apodado para un determinado aminoácido, intercambiaron cartas en las que se presentaron varias ideas inéditas en un intento de comprender la estructura del ARN y cómo esta molécula participa en la construcción de las proteínas. Durante los siguientes 50 años, muchas preguntas fueron contestadas, y muchas sorpresas fueron descubiertas a lo largo del camino.

Primeros descubrimientos de la estructura del ARN

Hoy en día, los investigadores saben que las células contienen una variedad de formas de ARN que incluyen ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt), y RNA ribosomal (rRNA) y cada forma está implicada en funciones y actividades diferentes. El ARNm es esencialmente una copia de una sección de ADN y sirve como molde para la fabricación de una o más proteínas. El ARNt se une tanto al ARNm como a los aminoácidos (los bloques de construcción de proteínas) y aporta los aminoácidos correctos en el crecimiento polipéptido de cadena durante la formación de la proteína, basado en la secuencia de nucleótidos de RNAm. El proceso por el cual las proteínas se construyen se denomina traducción. La traducción ocurre enlos ribosomas, que son orgánulos celulares compuestos de proteínas y RNAr.

Aunque hay varios tipos de moléculas de ARN , la estructura básica de todos los ARN es similar. Cada tipo de ARN es un polímero hecho de moléculas de ribonucleótidos individuales encadenados, siempre mediante la adición del grupo 5′-fosfato de un nucleótido en el grupo 3′-hidroxilo del anterior nucleótido. Al igual que el ADN, cada hebra de RNA tene la misma estructura básica, compuesto de bases nitrogenadas unidas covalentemente a un azúcar-fosfato como columna vertebral (Figura 1).

Figura 1: ADN consta de dos cadenas de polinucleótidos que son antiparalelas y complementarias, y el ARN consiste en una cadena de un solo nucleótido.

Sin embargo, a diferencia de ADN, el ARN es normalmente de una sola hebra. Además, el azúcar en el ARN es la ribosa en lugar de la desoxirribosa del ADN (ribosa contiene un grupo hidroxilo más en el segundo carbono), que da nombre al ácido. El ARN químicamente tiene cuatro bases nitrogenadas: adenina, citosina, uracilo y guanina. El Uracilo es un tipo de base pirimidínica que es estructuralmente similar a la timina, la pirimidina que se encuentra en el ADN. Como la timina, el uracilo se une sólo a la adenina (Figura 2).

Figure 2 : RNA has a primary and secondary structure.

Aunque el ARN es una molécula de cadena sencilla, los investigadores pronto descubrieron que se pueden formar estructuras de doble cadena, que son importantes para su función. En 1956, Alexander Rich -un cristalógrafo y miembro de la ARN Tie Club- y David Davies, trabajando en los Institutos Nacionales de la Salud, descubrieron que cadenas simples de ARN se pueden «hibridar», se pegarían entre sí para formar un doble molécula (Rich & Davies, 1956). Más tarde, en 1960, el descubrimiento de que una molécula de RNA y una de DNA podrían formar un híbrido de doble hélice fue la primera demostración experimental de la manera en que la información puede ser transferida de ADN a ARN (Rich, 1960).

De cadenas sencillas de ARN también se pueden formar muchas estructuras secundarias en las que un único ARN molécular se dobla con formas como bucles u horquillas , estabilizadas por enlaces de hidrógeno intramoleculares entre bases complementarias. Tal apareamiento de bases de ARN es crítico para muchas funciones del ARN, tales como la capacidad del RNAt de unirse a la secuencia correcta de RNAm durante la traducción (Figura 3).

Figura 3: Maduración y arquitectura de tRNA.
La organización global de la estructura del tRNA es altamente conservadas en todas las formas de vida. Las características prominentes de la estructura del tRNA, como se muestra en la figura, se incluyen: un tallo aceptor con el trinucleótido CCA en el extremo 3 ‘(el sitio de aminoacilación y peptidation trans-reacciones en el ciclo de la biosíntesis de proteínas); un bucle D (llamado después de una modificación tándem dihidrouridina, etiquetada «D» en la figura, que se encuentra comúnmente en este bucle), un bucle anticodón que incluye el anticodón, que es un triplete de nucleótidos responsables del reconocimiento de un triplete de codificación en el ARNm, y el bucle T , llamado así por el triplete altamente conservada. Los círculos negros representan los nucleótidos que no suelen ser modificados; círculos abiertos representan los nucleótidos modificados que no sean comúnmente D, T y psi.

De hecho, Robert Holley, químico de la Universidad de Cornell, fue el primer investigador que trabajó sobre la estructura del tRNA (Holley et al. , 1965). Esta molécula resultó ser difícil de entender con la estructura que Francis Crick propuso en su llamada «hipótesis del adaptador» de 1955, una estructura que lleva los aminoácidos y los dispuso en un cierto orden que correspondía a la misma secuencia de la hebra del ácido nucleico.  En 1968, Holley fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina junto con Gobind Khorana, de la Universidad de Wisconsin, y Nirenberg Marshall, de los Institutos Nacionales de Salud. Nirenberg y Khorana idearon los experimentos claves para descifrar el código genético, en otras palabras, que las secuencias de tres nucleótidos (codones) en una molécula de RNAm codificaría los correspondientes aminoácidos en la proteína.

ARNm y su lectura

Varias formas de ARN desempeñan papeles fundamentales en el proceso de expresión génica responsable de la concreción de las instrucciones almacenadas en la secuencia de ADN de nucleótidos en cualquiera de los dos ARN o proteína que llevan a cabo actividades en la célula (Figuras 4 y 5).  El ARN mensajero (mRNA ) es particularmente importante en este proceso. El RNAm está principalmente compuesto de secuencias de codificación, es decir, que lleva la información genética para la secuencia de aminoácidos de una proteína para el ribosoma, donde se sintetiza la proteína particularmente. La estructura química del ARN | aprender ciencias en Scitable.

Linus Pauling | tiching

¿Conoces algún americano PACIFISTA y además que sea el mejor QUÍMICO de principios de siglo? Por encima de todos y después de luchar contra su gobierno (que le retenía a veces el pasaporte para que en los Congresos científicos no hiciera apología de la coexistencia pacífica de la humanidad) la figura de Linus Pauling sobresale por encima de todos como la más grande para la Química de la primera mitad del siglo XX.

Linus Pauling, investigador de Cal Tech

Cuando Linus Pauling falleció el 19 de agosto de 1994, el mundo perdió a uno de sus más grandes científicos y los trabajadores humanitarios y un muy respetado y querido defensor de las libertades civiles y las cuestiones de salud.

Debido a su dinámica personalidad y sus muchos logros en muy diversos campos, es difícil definir adecuadamente Linus Pauling. Un hombre que insistentemente abordado algunos problemas humanos fundamentales al tiempo que se persigue una increíble variedad de intereses científicos, el Dr. Pauling fue casi tan bien conocida por el público americano ya que fue a la comunidad científica del mundo. Él es la única persona que nunca dejará de recibir dos Premios Nobel – de Química (1954) y para la Paz (1962).

Además de el reconocimiento general como uno de los dos grandes científicos del siglo 20, fue generalmente reconocido por sus colegas como el más influyente desde el químico Lavoisier, el siglo 18 y fundador de la moderna ciencia de la química. Su libro de texto introductorio de Química General, revisado en tres ocasiones desde su primera impresión en 1947 y traducido a 13 idiomas, ha sido utilizado por generaciones de estudiantes. Después de Pauling entró en el campo de la química como profesional a mediados de los años 1920, su obra, basada en la física, ha afectado a la labor de cada farmacia. También es a menudo considerado el padre fundador de la biología molecular, que ha transformado las ciencias biológicas y la medicina y proporcionó la base para la biotecnología.

Un genio polifacético con un gusto por la comunicación, Linus Pauling durante años fue probablemente el más visible, vocal y accesibles de América científico. Un negro boina gastada durante un choque de pelo rizado de color blanco se convirtió en su marca, junto con un par de ojos azules vivos que expresó su interés en temas difíciles. Él era un maestro difícil de explicar, incluso abstruso, información médica y científica en términos comprensibles para los profanos inteligentes. Escribió numerosos artículos y libros para el público en general – sobre la ciencia, la paz, y la salud. Libros populares en la que Linus Pauling detalladas recomendaciones nutricionales son su vitamina C y el resfriado común, Cáncer y Vitamina C (con Ewan Cameron, MD), y Cómo vivir más tiempo y sentirse mejor. Fue tratado como un perenne orador de conferencias, mítines políticos, commencements, programas y medios de comunicación.

Al mismo tiempo, Linus Pauling producido una multitud de artículos científicos académicos sobre una sorprendente variedad de temas de investigación en numerosos campos. De los más de 1.000 artículos y libros que publicó como autor único o un con junto, dos tercios son sobre temas científicos. Su libro La Naturaleza de la química Bond es a menudo citado como el libro científico más influyente del siglo 20.

Linus Pauling nunca fue renuente a inspirar o entrar en polémica por poco ortodoxa expresar las ideas científicas, teniendo una fuerte posición moral, o de despertar al público a algunos noble causa. A menudo provocado los aspectos científicos, médicos, políticos y comunidades científicas con su imaginación y una fuerte hipótesis de activismo social. Tomó riesgos profesionales y personales que la mayoría de sus colegas evitarse. Firme y tenaz, pero rara vez de perder su equilibrio alegre, continuó en su elegido y, a veces solitario camino como un visionario de la ciencia y un profeta de la humanidad.

Para dar un ejemplo de su cometido pero libre de espíritu la naturaleza: En 1962, durante la administración Kennedy, el Paulings fueron invitados a una fiesta especial en la Casa Blanca en honor a premios Nobel. El Dr. Pauling pasado el día fuera de las puertas con un cartel que protestaron los ensayos nucleares atmosféricos. Entonces esa noche, él y su esposa se sentaron a una elegante cena con los Kennedy. Y cuando algunos música fue interpretada, la pareja sintió inspirado a levantarse y bailar – para alegría de los espectadores.

Descubrimientos importantes

Durante las siete décadas de su carrera científica, Pauling de intereses de investigación fueron sorprendentemente amplio y ecléctico. Hizo importantes descubrimientos en diferentes campos de la química – física, estructural, analítica, inorgánica, orgánica y química, así como la bioquímica. Ha utilizado la física teórica, en particular la teoría cuántica y la mecánica cuántica, en sus investigaciones de la estructura atómica y molecular y la química. Se aventuró en la metalurgia y la mineralogía a través del estudio de las estructura s atómicas y de unión de metales y minerales, y con sus colegas, publicaron las estructuras de cientos de sustancias inorgánicas, incluyendo topacio y mica. En tanto la medicina teórica y aplicada que hizo descubrimientos importantes en las enfermedades genéticas, hematología, inmunología, la función cerebral y psiquiatría, evolución molecular, la terapia nutricional, la tecnología de diagnóstico, estadísticas de epidemiología, y la biomedicina.

Gran parte de la Pauling lifework combinado la dedicación y los conocimientos del científico con un profundo compromiso con el humanismo que propugnan su principio ético de funcionamiento de la «minimización del sufrimiento.»

Los primeros años

Linus Carl Pauling nació en Portland, Oregón, el 28 de febrero de 1901. Él recibió su educación temprana en Oregon, acabado en 1922 con una licenciatura en ingeniería química desde Oregon Agricultural College en Corvallis – aho ra la Universidad Estatal de Oregón. Ya se señaló que el reto de cómo y por qué los átomos de forma particular, los bonos unos con otros para crear moléculas con estructuras únicas.

Para estudios de posgrado Pauling fue al Instituto Tecnológico de California (Caltech), que proporciona un estipendio para la investigación y la enseñanza. En 1925 recibió un doctorado en la química y la física matemática. Concedió una beca Guggenheim, en 1926-27 estudió en Europa con los físicos que estaban estudiando las implicaciones de la mecánica cuántica de la estructura atómica. En este nuevo y revolucionario Pauling encontrado un ámbito físico y matemático para su propio futuro en relación con las teorías estructura molecular y su correlación con propiedades químicas y de la función.

Linus Pauling.

Metabolismo celular | Enzimas | Scitable

Alfa-amilasa, un enzima de glúcidos

Las operaciones diarias de la célula se llevan a cabo a través de las reacciones bioquímicas que ocurren dentro de la célula. Las reacciones empiezan y se acaban o aceleran y desaceleran de acuerdo a las necesidades inmediatas de la célula y sus funciones generales. En cualquier momento dado, las numerosas vías implicadas en la construcción y destrucción de componentes celulares deben controlarse y equilibrarse de una manera coordinada. Para lograr este objetivo, las células organizar las reacciones con diversos compuestos llamados enzimas.

¿Qué hacen las enzimas?

Las enzimas son catalizadores de proteínas que aceleran las reacciones bioquímicas, facilitando los reordenamientos moleculares que apoyan la función celular. Recordemos que las reacciones químicas convierten sustratos en productos , a menudo uniendo grupos químicos o mediante la ruptura de los grupos químicos de los sustratos. Por ejemplo, en la etapa final de la glucólisis , una enzima llamada piruvato quinasa transfiere un grupo fosfato a partir de un sustrato (fosfoenolpiruvato) a otro substrato (ADP), generando de ese modo piruvato y ATP como productos (Figura 1).

Figura 1: La glucólisis. La energía se utiliza para convertir la glucosa a una forma de seis carbonos. A partir de entonces, se genera energía para crear dos moléculas de piruvato. © 2010 Nature Education Todos los derechos reservados.

Las enzimas son proteínas flexibles que cambian de forma cuando se unen con moléculas de sustrato. De hecho, esta capacidad de unión y cambio de forma es cómo actúan las enzimas para aumentar las velocidades de reacción. En muchos casos, las enzimas funcionan mediante la unión de dos sustratos en estrecha proximidad y la orientación de ellos para que la transferencia de electrones sea más fácil. También pueden producir cambios  conformacionales o de forma como un interruptor on / off. Por ejemplo, cuando moléculas de un inhibidor se unen a un sitio de una enzima distinto del sitio de sustrato, puede hacer que la enzima asuma una conformación inactiva, lo que impediría que catalizara una reacción. A la inversa, la unión de moléculas activadoras pueden hacer una enzima asuma una conformación activa, esencial para activarlo (Figura 2).

Figura 2: La activación y la inactivación de reacciones enzimáticas. Las enzimas son proteínas que pueden cambiar de forma y por lo tanto se activa o inactiva. Una molécula activadora (verde pentágono) pueden unirse a una enzima (la forma de puzzle luz verde) y cambiar su forma general. Nota: La transformación del punto triangular en la enzima verde en una forma redondeada. Esta transformación permite que la enzima se unen mejor con su sustrato (pieza de puzzle luz rosa). En contraste, una molécula de inhibidor (círculo de color rosa) puede prevenir la interacción de una enzima con su sustrato y desactivar ésta.

¿Cuáles son las vías metabólicas?

Muchas de las transformaciones moleculares que ocurren dentro de las células requieren múltiples pasos a realizar. Recordemos, por ejemplo, que las células dividen una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato por medio de un proceso de diez pasos llamado glucólisis. Esta serie coordinada de reacciones químicas es un ejemplo de una ruta metabólica en la que el producto de una reacción se convierte en el sustrato para la siguiente reacción. Por consiguiente, los productos intermedios de una vía metabólica pueden ser de corta duración (Figura 3).

Figura 3.Las enzimas pueden catalizar cada paso en un camino de reacción. En cada paso, la molécula se transforma en otra forma debido a la presencia de una enzima específica. Tal vía de reacción puede crear una nueva molécula (biosíntesis), o se puede descomponer una molécula existente (degradación).© 2010 Nature Education Todos los derechos reservados.

A veces, las enzimas implicadas en una ruta metabólica particular, están conectadas físicamente, permitiendo que los productos de una reacción se canalice de manera eficiente a la enzima siguiente de la vía. Por ejemplo, la piruvato deshidrogenasa es un complejo de tres diferentes enzimas que catalizan la ruta de acceso a partir de piruvato (el producto final de la glicólisis) a acetil CoA (el primer sustrato en el ciclo del ácido cítrico). Dentro de esta vía, los productos intermedios se pasan directamente de una enzima a la siguiente.

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Estructura de las Proteínas | Scitable

Las proteínas son los productos finales de un proceso de decodificación que se inicia con la información en el ADN celular. Como bestias de carga de la célula, las proteínas componen elementos estructurales y motrices en la célula, y sirven como catalizadores para virtualmente cada reacción bioquímica que se produce en los seres vivos. Esta increíble variedad de funciones deriva de un código asombrosamente simple que especifica un conjunto muy diverso de estructuras.

De hecho, cada gen en el ADN celular contiene el código para una proteína de estructura única. No solo son estas proteínas ensambladas con diferentes secuencias de aminoácidos, sino que también se mantienen unidas por enlaces diferentes y plegadas en una variedad de estructuras tridimensionales. La forma plegada, o conformación, depende directamente de la secuencia lineal de aminoácidos de la proteína.

¿Cómo se forman las proteínas?

Los bloques de construcción de proteínas son los aminoácidos, que son moléculas orgánicas pequeñas que consisten de un átomo de carbono alfa (central) unido a un grupo amino, un grupo carboxilo, un átomo de hidrógeno, y un componente variable llamada una cadena lateral R (ver más abajo) . Dentro de una proteína, varios aminoácidos están unidos por enlaces peptídicos, formando de ese modo una larga cadena. Los enlaces peptídicos se forman por una reacción bioquímica que extrae una molécula de agua a medida que se une al grupo amino de un aminoácido con el grupo carboxilo de un aminoácido vecino. La secuencia lineal de aminoácidos en una proteína se considera la estructura primaria de la proteína.

Las proteínas se construyen a partir de un conjunto de sólo veinte aminoácidos, cada uno de los cuales tiene una cadena lateral R única. Las cadenas laterales de los aminoácidos tienen diferentes composiciones químicas. El mayor grupo de aminoácidos que tienen cadenas laterales no polares. Varios otros aminoácidos tienen cadenas laterales con cargas positivas o negativas, mientras que otros tienen cadenas laterales polares pero sin carga. La química de las cadenas laterales de aminoácidos es crítico para la estructura de proteínas debido a que estas cadenas laterales pueden unirse entre sí para retener una cantidad de proteína en una cierta forma o conformación.  Las cadenas laterales cargadas de los aminoácidos pueden formar enlaces iónicos, y los aminoácidos polares son capaces de formar puentes de hidrógeno. Las cadenas laterales hidrófobas interaccionan entre sí a través de débiles interacciones de fuerzas van der Waals. La gran mayoría de los enlaces formados por estas cadenas laterales son no covalentes. De hecho, las cisteínas son los únicos aminoácidos capaces de formar enlaces covalentes, lo que hacen con sus cadenas laterales particulares. Debido a las interacciones de cadena lateral, la secuencia y la localización de los aminoácidos en una proteína particular guían donde se producen las dobleces y los pliegues  de la proteína (Figura 1).

Figura 1: La relación entre cadenas laterales de aminoácidos y la conformación de proteínas. La característica definitoria de un aminoácido es su cadena lateral (en el círculo superior, azul, a continuación, todos los círculos de color). Cuando conectados entre sí por una serie de enlaces de péptidos, aminoácidos formar un polipéptido, otra palabra para proteína. El polipéptido se plegará en una conformación específica dependiendo de las interacciones (líneas de puntos) entre sus cadenas laterales de aminoácidos.

La estructura primaria de una proteína, su secuencia de aminoácidos, impulsa la unión intramolecular de plegado de la cadena lineal de aminoácidos, que determina en última instancia la forma tridimensional única. El enlace de hidrógeno entre los grupos amino y grupos carboxilo en las regiones vecinas de la cadena de proteína a veces causa que se produzcan ciertos patrones de plegado.

Conocido como las hélices alfa y láminas beta, estos patrones de plegado estables constituyen la estructura secundaria de una proteína. La mayoría de las proteínas contienen múltiples hélices y hojas, además de otros patrones menos comunes (Figura 2).

Figura 2: La estructura de la proteína bacteriorrodopsina. La bacteriorrodopsina es una proteína de membrana de las bacterias que actúa como una bomba de protones. Su conformación es esencial para su función. La estructura general de la proteína incluye dos hélices alfa (verde) y láminas beta (rojo). © 2010 Nature Education Todos los derechos reservados.

El conjunto de formaciones y pliegues en una única cadena lineal de aminoácidos, a veces llamado un polipéptido, constituye la estructura terciaria de una proteína. Finalmente, la estructura cuaternaria de una proteína se refiere a aquellas macromoléculas con múltiples cadenas de polipéptidos o subunidades.

La forma final adoptada por una nueva síntesis de proteínas suele ser la más energéticamente favorable. Como las proteínas se pliegan, se prueba una variedad de conformaciones antes de llegar a su forma final, que es única y compacta. El plegado de proteínas se estabiliza por miles de enlaces no covalentes entre los aminoácidos.  Además, las fuerzas químicas entre una proteína y su entorno inmediato contribuyen a la forma y estabilidad de proteínas. Por ejemplo, las proteínas que están disueltas en el citoplasma de la célula tienen grupos químicos hidrófilos (amantes del agua) en sus superficies, mientras que su hidrófobos (aversión al agua) tienden a estar metidos dentro. En contraste, las proteínas que se insertan en las membranas celulares pueden mostrar algunos grupos químicos hidrofóbicos en su superficie, específicamente en aquellas regiones en las que está expuesta la superficie de la proteína a los lípidos de membrana. Es importante señalar, sin embargo, que las proteínas completamente plegadas no están congeladas en cuanto a su forma. Más bien, los átomos dentro de estas proteínas siguen siendo capaces de realizar movimientos pequeños.

Las proteínas se consideran macromoléculas, que son demasiado pequeñas para visualizarse, incluso con un microscopio. Por lo tanto, los científicos deben usar métodos indirectos para averiguar cómo se ven y cómo se doblan. El método más común usado para estudiar las estructuras de proteínas es cristalografía de rayos X.Con este método, los cristales sólidos de proteína purificada se colocan en un haz de rayos X, y el patrón de rayos X desviados se utilizan para predecir las posiciones de los miles de átomos dentro del cristal de proteína.

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