Plegamiento Proteico

Biología Molecular y Celular
Lic. Marcelo F. Goyanes
Plegamiento Proteico
A medida que la cadena polipeptídica va siendo sintetizada se produce el
plegamiento de la cadena naciente. Si se calculan la cantidad de formas que
podría adquirir una proteína en el espacio, esta estará determinada por la
cantidad de aminoácidos que presente. Por ejemplo, una proteína que posea n
restos, podría plegarse en 8n conformaciones distintas. Este cálculo se hace en
base a que, desde el punto de vista estereoquímico, son ocho los ángulos de
enlace permitidos en la columna vertebral de la cadena polipeptídica. Sin
embargo, cada proteína adopta una conformación única que denominaremos
estado nativo, siendo ésta la forma de plegamiento más estable de la
molécula. Para evitar un anormal plegamiento, la célula consta de dos
procesos fundamentales. Uno de ellos se realiza a nivel molecular, mediante el
cual la proteína se pliega a través de una vía que solo favorece unos pocos
pasos intermedios. El otro consiste en un sistema celular que detecta e impide
esta condición anómala.
A esta altura, el lector podría formularse la siguiente pregunta: ¿Dónde radica
la información para que la proteína pueda adquirir su forma nativa? La clave
para contestarla se encuentra en la secuencia de aminoácidos que componen
la cadena polipeptídica. Este descubrimiento fue realizado gracias al estudio
del plegamiento y desplegamiento in vitro de las proteínas. Debe resultarle
sabido que ciertos factores rompen los enlaces no covalentes que estabilizan la
conformación nativa de la proteína. El calor, los extremos de pH y ciertos
agentes químicos figuran dentro de estos factores. Al proceso por el cual se
altera la conformación compacta y la actividad de la proteína, quedando solo su
estructura lineal, se lo denomina desnaturalización proteica. La mayoría de las
proteínas desnaturalizadas precipitan cuando se encuentran en solución,
debido a que sus grupos hidrófobos interactúan con regiones similares de otras
moléculas no plegadas, formando así un agregado insoluble.
La desnaturalización no es un proceso irreversible sino que generalmente es
posible renaturalizar la proteína mediante la eliminación de los elementos
desnaturalizantes. Para este propósito se realiza la diálisis, en donde vuelven a
formarse todos los enlaces disulfuro, los puentes de Hidrógeno y todos
aquellos enlaces no polares que estabilizan la conformación nativa. Dado que
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esta restauración no requiere cofactores u otras proteínas, al menos in vitro, el
plegamiento funciona como un proceso de autoensamblaje. Siendo la
secuencia de los aminoácidos la que determine la información necesaria para
la adquisición de la forma nativa.
En el camino hacia la adquisición de esta forma, la proteína adquiere
configuraciones transitorias. Una de estas formas está representada por el
estado de glóbulo fundido.
El plegamiento proteico es acompañado por verdaderas chaperonas
En vivo la proteína debe alcanzar su forma nativa con rapidez y alta eficiencia.
El plegamiento realizado en el laboratorio, que lleva algunos minutos, no es
suficientemente rápido a nivel celular. Un plegamiento errático de las proteínas
correspondería a un gasto innecesario de energía y, como sabemos, muchos
de los procesos celulares tienen su base en el ahorro energético.
Estudios realizados en el laboratorio indican que, del total de las proteínas
encontradas en una célula, sólo un 5 % distan de su conformación nativa. La
explicación a esta notable eficiencia podría radicar en la presencia de ciertas
proteínas de la familia de las chaperonas.
Las chaperonas se caracterizan por tener representantes en todos
los
compartimentos celulares, en los cuales se unen a una amplia gama de
proteínas, formando parte del mecanismo general que determina su
plegamiento. Podemos establecer dos tipos distintos de chaperonas: Las
chaperonas moleculares y las chaperoninas. Las primeras se encargan de
estabilizar a aquellas proteínas que no están plegadas, impidiendo así su
degradación. Las segundas facilitan el plegamiento de las cadenas
polipeptídicas.
El accionar de las chaperonas demanda un gasto energético, gasto que es
cubierto mediante la degradación del ATP.
Las chaperonas pertenecen a un grupo más amplio de proteínas conocido
como “proteínas de shock térmico”, cuyas siglas en inglés son Hsp (HeatShock-Proteins). Y, dentro de estas, se las conoce como las Hsp 60 y 70.
Ambos tipos de chaperonas poseen afinidad por las zonas hidrofóbicas de las
proteínas plegadas de forma incompleta. Cuando las chaperonas están unidas
al ATP poseen una forma abierta, en la cual un bolsillo hidrofóbico se une a las
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zonas homónimas de las proteínas cuya estructura dista de la conformación
nativa. Ante la unión de estas, la chaperona adopta una forma cerrada que
libera la proteína blanco. Se cree que las chaperonas se unirían a todas las
cadenas polipeptídicas en formación, generando efectos que se asemejarían a
“masajes proteicos”, por los cuales proporcionarían a la proteína otra
posibilidad de plegarse. Para que usted pueda darse una idea del proceso,
imagínese que estruja un trapo con ambas manos, retorciéndolo hasta que sea
compactado.
Las chaperoninas eucariotas, o TciP, son grandes complejos formados por
ocho unidades de Hsp60. En las células del tipo procariota las chaperoninas
poseen catorce sub unidades idénticas que conforman un complejo con forma
de barril, conocido bajo las siglas GroEL. El mecanismo por el cual el GroEL
interviene en el plegamiento proteico es dependiente del ATP. La proteína
ingresa al mismo y otra chaperonina, la GroES, cubre los extremos del barril.
Debido a que la chaperonina eucariota TciP carece de una chaperonina
análoga a la GroES, el último paso del plegamiento proteico difiere en las
células eucariotas.
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Muerte programada de las Proteínas
Las células son capaces de degradar selectivamente cualquier complejo
proteico mal ensamblado mediante un elaborado conjunto de proteínas que
permite dirigirlas específicamente hacia la maquinaria que realizará la
proteólisis.
Una de las funciones que posee dicha proteólisis es, como se mencionó en el
párrafo anterior, el reconocer y eliminar aquellas proteínas que se encuentren
dañadas o mal plegadas. Sin embargo, esta maquinaria proteolítica actuará
también confiriéndole una corta vida media a ciertas proteínas normales, cuya
concentración ha de cambiar rápidamente o degradará a otras proteínas, como
las ciclinas, que deben permanecer en concentraciones estables hasta que
sean degradadas espontáneamente en un determinado momento del ciclo
celular.
La mayoría de las proteínas que son degradadas a nivel citoplasmático son
liberadas a grandes complejos proteicos denominados proteosomas. Cada
proteosoma consiste en un cilindro central formado por múltiples proteasas,
cuyos centros activos formarían una cámara central. Vale decir que estas
estructuras celulares actuarían como verdaderas usinas proteolíticas, en las
cuales las proteínas a degradar serían incorporadas y desensambladas. Cada
extremo de este cilindro está obturado por un gran complejo proteico
constituido por, al menos, 10 polipéptidos distintos.
Se cree que los tapones proteicos serían los encargados de seleccionar a las
proteínas que deberán ser destruidas, uniéndose a ellas e introduciéndolas en
la cámara del cilindro. Las proteínas que sean blanco de esta verdadera
máquina, serán degradadas hasta pequeños péptidos que se eliminarán hacia
el exterior.
El título de este presente apartado adelantaba que las proteínas a ser
degradadas estaban marcadas para “morir”. Es así como los proteosomas
actúan sobre aquellas proteínas que han sido marcadas mediante la adición
covalente de una pequeña proteína, la ubiquitina. Este pequeño polipéptido
está presente en todos los tipos celulares, libre o unida covalentemente a otras
proteínas.
La unión de la ubiquitina a las proteínas se realiza mediante enzimas
específicas, quienes la añaden a un residuo del aminoácido lisina, y
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posteriormente añaden series de ubiquitinas adicionales, formando una cadena
multiubiquitina, la cual es reconocida por un receptor proteico específico del
proteosoma.
Las proteínas mal plegadas, desnaturalizadas, con residuos oxidados o
anormales, son reconocidas y degradadas por el complejo dependiente de la
ubiquitina. Las enzimas que añaden este péptido reconocerían ciertas señales
proteicas que denotan su anormalidad.
Uno de los problemas que plantea este tipo de mecanismo, es la discriminación
que debe de realizar la célula entre aquellas proteínas que estén mal plegadas,
las cuales deben ser ubiquitinadas para su posterior destrucción, de otras que
estén siendo sintetizadas a nivel ribosomal. Una de las posibilidades que se
plantean es que estas últimas estén protegidas de la ubiquitinación mediante el
acompañamiento de ciertas chaperonas; la otra posibilidad es que el
plegamiento proteico, pos traducción, sea realizado tan rápido que el complejo
de ubiquitinación no posea el tiempo necesario para actuar.
Ciertas enfermedades podrían ser causadas por proteínas mal plegadas
Las proteínas podrían adoptar concurrentemente formas distantes a la
conformación nativa, por lo cual se produciría la pérdida de la función biológica
y su posterior marcado para ser degradada. La acumulación de los fragmentos
resultantes de la proteólisis contribuye a ciertas enfermedades degenerativas
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caracterizadas por la presencia de placas proteicas insolubles en órganos tales
como el hígado y el cerebro.
La enfermedad de Alzheimer es un ejemplo de lo antedicho, pues se
caracteriza por la presencia de placas y ovillos a nivel cerebral. Los filamentos
que componen estas placas son producto de la proteólisis de abundantes
proteínas naturales, como la proteína precursora de amiloide, una proteína de
transmembrana, y Tau, una proteína de fijación de microtúbulos. En otros
órganos se ha visto que la formación de placas es el resultado de la proteólisis
de proteínas naturales como la gelsolina, una proteína fijadora de la actina, y la
albúmina sérica, proteína propia de la sangre. Los fragmentos liberados por
proteólisis se unen formando hilos muy estables. La degeneración cerebral,
similar a la que se produce por Alzheimer, es causada por priones, una
proteína infecciosa derivada de la proteólisis y el replegamiento de una
proteína normal del cerebro.
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