Del orden y el caos

Alguna vez, seguro, habréis escuchado esa afirmación creacionista tan manida que dice que "del caos no puede surgir el orden", en referencia a que el Big Bang es imposible, que la evolución es imposible y demás chorradas. Pues bien, este post es para demostrarles que no tienen razón: existen en nuestro proteoma (y no sería arriesgar demasiado decir que en la inmensa mayoría de los mismos) unas proteínas peculiares que no poseen un plegamiento ordenado estable. Algunas, ni siquiera llegan a plegarse en absoluto. Y no sólo en situaciones patológicas, sino también en situaciones fisiológicas. Son las que llamamos proteínas intrínsecamente desordenadas.

Plegamiento proteico

Estructura tridimensional de una proteína. En rojo, se ven
las zonas de α-hélice; en amarillo, las de lámina-β; en verde
lo que llamamos random coil.

Como ya sabréis (o si no, os lo digo yo) las proteínas son largas cadenas de elementos llamados aminoácidos y que son indispensables para desempeñar cualquier función en los seres vivos: transmisión nerviosa, formación estructural, metabolismo energético, copia y traducción de los ácidos nucleicos... Además, os acordaréis que las proteínas están plegadas y que hay varios niveles estructurales de plegamiento: la estructura secundaria, terciaria y, en algunos casos, cuaternaria. Dentro de la estructura secundaria encontramos una distinción entre estructuras, dependiendo de cómo se organice dicho plegamiento: α-hélice y lámina-β. Hay que añadir, además, que hay zonas que no se pliegan, que llamamos random coil y que vendrían a ser algo así como ordenamiento aleatorio, por mucho oxímoron que pueda parecer.

El plegamiento en forma de α-hélice es el tipo de plegamiento más abundante descrito hasta la fecha y fue descrita en 1951 por Linus Pauling. Como su propio nombre indica, consiste en una disposición helicoidal de los aminoácidos. En cada vuelta de la hélice "caben" algo más de tres aminoácidos y medio, dejando las cadenas laterales (ya sabéis, esos chorizos tan infumables de las clases de bioquímica y que nos ayudan a distinguir los aminoácidos por tipos) hacia afuera. Este tipo de conformación empaqueta los aminoácidos de una forma muy eficiente, de tal manera que en el interior de la hélice apenas hay espacio.

En el caso de las láminas-β (también descritas por Pauling), se denominan así a las estructuras secundarias que disponen distintas partes de la secuencia de forma paralela entre unas y otras. Cada lámina está formada por varias hebras-β que se dispondrán de forma paralela (siguiendo la misma dirección) o antiparalela (siguiendo direcciones contrarias. En cada hebra, las cadenas laterales se colocan hacia arriba o hacia abajo respecto al plano de la hebra. Estas cadenas laterales suelen ser cortas, ya que si tuvieran una mayor longitud, las interaciones entre las distintas cadenas podrían desestabilizar la estructura completa de la proteína.

Por último, tenemos los random coils. Estos no son más que disposiciones de aminoácidos casi al azar, sin ningún plegamiento determinado. Podemos encontrar este tipo de estructuras en las proteínas bien plegadas en los codos y en los giros entre secuencias con estructuras ordenadas y fijas. Si estáis pensando que nuestras protagonistas de hoy se presentan en este tipo de organización, enhorabuena, habéis acertado.

Estructuras secundarias en α-hélice (izquierda, en rojo), lámina-β (centro, en amarillo) y random coil (derecha, en verde). Se representan las estructuras de los aminoácidos para poder comprobar la disposición de los mismos.

Ah, vale, genial... ¿y qué?

Tranquilos todos, que vamos a por ello, esto sólo era una pequeña introducción para que veáis cómo se organizan los aminoácidos dentro de las proteínas y para que os hiciérais una idea de qué tipo de plegamiento podemos esperar de nuestras amigas las IDPs.

¿Por qué es necesaria esta introducción? Pues, básicamente, porque durante muchísimo tiempo se ha creído que cada secuencia de aminoácidos podía tener únicamente una estructura y que a dicha estructura le correspondía una función solamente. Sin embargo, al desarrollarse los métodos de resolución de estructuras en disolución y no en cristal, ha surgido la idea de que no es necesaria una estructura tridimensional para que una proteína desarrolle su función. De hecho, y a pesar de no tener un plegamiento, son parte fundamental del proteoma (que es el conjunto de proteínas de un organismo).

Dentro de las IDPs podemos encontrar proteínas que no tienen un plegamiento estructural definido en absoluto (como la proteína básica de mielina), proteínas que adquieren plegamiento al unirse a sus dianas (como la neurogenina 1) o al modificarlas (como, por ejemplo, al fosforilarlas como la 4E-BP2, un factor de transcripción génica) o proteínas que tienen parte plegada y parte sin plegar (como el factor neural derivado de células gliales o GDNF). Algunas, como la propia neurogenina 1 que hemos mencionado antes, forman complejos que llamamos fuzzy complexes porque no tienen una estructura fija, ni siquiera unidas a sus dianas y sus conformaciones fluctúan entre varios plegamientos que son estables todos al mismo tiempo.

Esta falta de estructura fija muchas veces provoca que, al plegarse, estas proteínas puedan adquirir un plegamiento incorrecto que desencadena la agregación de estas proteínas. Esta agregación vuelve insolubles a estas proteínas y provoca su precipitación, como ocurre en algunas enfermedades (que es el caso de algunas características patológicas del Alzheimer).

¿Pero estas proteínas funcionan?

Claro que funcionan. De hecho, y tal como hemos mencionado antes, las proteínas sin plegamiento fijo son parte importante del proteoma de todos los seres vivos. Se ha llegado a predecir que en el proteoma del ratón podría haber hasta un 33% de proteínas que son IDPs o que tienen amplias regiones sin plegamiento estable.

Para rizar el rizo, las funciones de estas proteínas se encuentran entre las más importantes del organismo. Una gran mayoría de las IDPs tienen funciones relacionadas con el ADN. Por ejemplo, la neurogenina 1 que mencionábamos anteriormente, contiene una región especial, llamada hélice-lazo-hélice básico (o bHLH) que le permite unirse a ciertas secuencias que modulan la expresión del ADN y que participarán en el desarrollo del tubo neural. Otras, como el citocromo c, adquieren su estructura al unirse al grupo hemo o a otros grupos catiónicos o aniónicos (la caseína de la leche evita que precipite el calcio de la misma adquiriendo conformación al unirse a él), con funciones primordiales como la respiración celular o incluso la apoptosis (varias proteínas relacionadas con bcl-2 son de este tipo). E incluso podemos encontrar que la IDP puede adquirir varias conformaciones dependiendo de a qué molécula se una la proteína. Es el caso de la proteína p53, importantísima en la reparación de daños en el ADN, para la que se han identificado hasta 14 regiones que adquieren plegamiento dependiendo del compañero molecular al que se unan:

Proteína p53 y distintas disposiciones espaciales de sus diferentes regiones desordenadas según su compañero molecular. En cada caso, la región que se estuctura se corresponde con el color que señala la gráfica central. El compañero molecular se determina en tonos de azul. Tomado de Uversky y Dunker, 2010.

En la imagen anterior podéis ver el fenómeno que comentábamos antes. Empecemos por la conformación de arriba a la izquierda. La proteína, en color lila, se muestra unida al ADN y con una conformación concreta. Esta corresponde a la región señalada en rosa en la gráfica central. Si os fijáis, esa región central puede adquirir hasta 4 conformaciones distintas para unirse a 4 compañeros distintos (sólo tenéis que seguir las flechas que salen de la gráfica para encontrarlos). Lo mismo ocurre con el resto de regiones coloreadas de la gráfica central. Si seguís las flechas, podréis encontrar la conformación que adquiere dicha región al unirse a su diana. A este tipo de proteína con tantas conformaciones para tantos compañeros moleculares se les denomina proteínas hub.

Otras IDPs no necesitan tener un plegamiento tan flexible como para poder unirse a tan diversos compañeros, sino que lo que necesitan es dicha flexibilidad en su propia cadena. Es el caso de algunos canales iónicos, como el canal de potasio activado por voltaje. Para este canal se han propuesto hasta diez estados distintos que oscilan entre el abierto, el inactivo y el cerrado. Dicha versatilidad estructural sería imposible si su dominio intracelular poseyera una estructura tridimensional fija y estable en lugar de ser una región sin plegamiento estable. Suelen presentarse en proteínas que necesitan el movimiento, como algunos receptores de membrana y canales iónicos, que necesitan controlar el tiempo en el que se abren y el tiempo que permanecen abiertos. Este tiempo parece depender de la longitud de la región desordenada.

Pero seguro que las IDPs son un inconveniente...

Visto así, puede parecer una desventaja total. Pensadlo bien: si la proteína tiene que reorganizarse para unirse a sus ligandos y realizar su función, el ligando podría llegar a degradarse antes de tiempo, desaparecer de la zona que es necesaria, llevado a otro compartimento celular o, incluso, la proteína podría sufrir un proceso proteolítico. Sin embargo, no hay nada que esté más lejos de la realidad. La desorganización en la estructura es toda una ventaja para estas proteínas.

En primer lugar, que no exista un plegamiento estable aumentaría la especificidad por ligandos de baja afinidad. Las proteínas con amplias regiones sin orden intrínseco son más capaces de adaptarse geométricamente a este tipo de ligandos, de forma que pueden cambiar qué región interactúa con estos hasta encontrar la interacción más favorable. Esto, además, conlleva un aumento del tamaño de la zona de interacción con el ligando, por lo que la velocidad de interacción es más rápida: la proteína tiene capacidad para buscar de forma más veloz cómo interactuar con el ligando en cuestión, en lugar de tener que acoplar toda una estructura fija a un ligando que no puede cambiar su conformación. En relación con esto, las IDPs tienen unos requerimientos espaciales mucho menores para interactuar con sus ligandos, lo que les permite interactuar con una mayor diversidad de moléculas. Además, al poseer una superficie expuesta mucho mayor, dichas interacciones suelen ser más fuertes, diversas e incluso solaparse dentro de la misma secuencia.

Esta falta de estructura permite muchísimas más opciones de regulación. Cuando una proteína está ordenada, la introducción de cualquier elemento puede desestabilizar la estructura y dar al traste con toda la proteína. En una proteína cuyo plegamiento es difuso o inexistente, pueden entrar multitud de modificaciones: fosforilación, metilación, ubiquitinación, SUMOilación... Incluso la degradación es mucho más sencilla, al tener accesibles todos los residuos de la misma.

Por último, pero no por ello menos importante, las IDPs presentan ventajas evolutivas respecto a las que no lo son. Muchas de ellas, dada su versatilidad (como el citocromo c) son proteínas altamente conservadas, por lo que sirven como trazadores. Otras, debido a su falta de estructura fija, son objeto de modificaciones evolutivas más rápidas, adaptando la proteína a las propias necesidades de la especie a la que pertenecen, lo que además les permite evolucionar hacia complejos mucho más sofisticados.

Muy bonito... ¿pero qué interés tienen?

Como ya os he dicho, las IDPs participan en procesos biológicos de máxima importancia: regulación de la transcripción génica, comunicación celular, señalización... Esta implicación las hace especialmente interesantes en cuanto a su utilización como dianas terapéuticas.

En todos estos procesos, igual que en la práctica totalidad de los procesos biológicos, el reconocimiento molecular es clave: cómo una proteína se une a otra, cómo y dónde una proteína se une al ADN, cuándo se une, con qué afinidad... Y hasta hace relativamente poco, este reconocimiento se ha explicado mediante un modelo de llave-cerradura. Vamos, que para un ligando concreto existe una única conformación espacial que encaja con él y que debe poseer la proteína que se une a él para que la unión pueda efectuarse. Pero como os he explicado más arriba, y tal como pone de manifiesto la propia p53, el modelo llave-cerradura está obsoleto. Y esto, precisamente, es lo que hace tan interesantes a las IDPs: al estar implicadas en multitud de procesos de reconocimiento molecular que están alterados en distintas enfermedades, son unas dianas muy prometedoras.

Multiherramienta tipo Dremel. Un ejemplo gráfico de lo
que puede ser una IDP.

Pensadlo bien. No, en serio, pensadlo bien. Seguro que en casa tenéis una multiherramienta de esas con puntas intercambiables que sirven para distintos menesteres. Con una herramienta de este tipo podemos taladrar, atornillar, cortar, pulir, limpiar, desbastar, rebajar, grabar el metal, vidrio, madera, cerámica, cuero... Y sólo cambiando de punta, sólo cambiando de conformación. ¿No os recuerda un poco a la p53 y la cantidad de ligandos a la que se puede unir?

Pues ahora imaginad que queréis grabar en vidrio con la dremel. Hay que utilizar una punta concreta, con una forma concreta para cada grabado concreto. Es decir, que para usarla sobre vidrio, la Dremel debe tener una conformación espacial concreta. Esa y no otra.

Normalmente, los que somos muy frikis (y digo muy frikis) solemos usar la Dremel para muy diversas cosas. Vale, la célula parece usar la p53 también para cosas muy diferentes, también podemos decir que la célula es muy friki. Los trabajos que veis en la siguiente imagen fueron posibles gracias a que, en cada momento, la herramienta usada tenía la conformación necesaria. Bien. ¿Os podéis imaginar qué habría pasado si en lugar de usar una punta para plástico hubiera usado una punta para madera a la hora de hacer la corbata de bolo? ¿O si hubiera usado un disco para madera en lugar de uno para gomaespuma a la hora de hacer la espada? ¿O si hubiera pulido la madera del blasón de los Greyjoy con una lija para metal?

Diversos trabajos realizados con herramienta tipo Dremel. Grabados y pulidos en madera y plástico, cortes en gomaespuma y fibra de vídrio, taladro sobre madera...

Exacto: el resultado habría sido nefasto. El usar una punta para madera para taladrar y moldear el plástico da como resultado que éste se derrite y se queda pegado de forma asquerosa a tu punta y tienes que tirarla (sí, me ha pasado). ¿Sabéis qué otra cosa agrega y se queda pegado formando unas fibrillas insolubles? El péptido β-amiloide, que está implicado en la patología de la enfermedad de Alzheimer o el síndrome de Down. O la α-sinucleína, que tanta implicación tiene en el Parkinson o la demencia asociada a cuerpos de Levy.

Así, es primordial conocer cómo y por qué las IDP se pliegan, bajo qué condiciones y de qué forma y cómo el plegamiento de las mismas se puede ver afectado. Centrémonos en el caso del péptido β-amiloide. Una de las características patológicas de la enfermedad de Alzheimer es la agregación de este péptido cuando adquiere una conformación incorrecta. Así, si conseguimos un tratamiento que, o bien impida su plegamiento incorrecto, o bien impida su asociación y agregación, muchos de los problemas asociados a la enfermedad podrían corregirse. Si ahora os mencionara que ocurre algo parecido con la α-sinucleína, la posible solución pasaría igual por evitar su agregación. Y no sólo ocurre con estas proteínas: c-Myc, Nupr1, p53... son proteínas con amplias regiones sin plegamiento estable que están implicadas en la patología de distintos cánceres.

¿Y los creacionistas del principio?

Pues básicamente, equivocados, como en todo. No tenéis más que mostrarles este post: no todo en la naturaleza es ordenado, ya que muchas de las proteínas implicadas en las funciones biológicas más importantes tienen un orden estructural estable o no lo tienen en absoluto. Y aquello que adquiere un orden, como es el caso de las proteínas que hemos comentado anteriormente, puede ser el causante de un caos mucho mayor del que es asumible por un organismo vivo.

Así que, cuando os digan aquello de "el orden no puede surgir del caos", después de reiros en su cara, les mencionáis alguna de las IDPs, para que se vayan calentitos.