Muchas más proteínas que genes (y un ejemplo tumoral)

ResearchBlogging.orgEn nuestro ADN tenemos algo más de 20.000 genes. Es nuestro genoma. Que se reparte en 24 cromosomas diferentes cuya longitud oscila entre 50 y 250 millones de pares de bases (50.000-250.000 Kpb). En realidad, 23 parejas; y en cada una de ellas, uno de papá y otro de mamá.

Dentro de los cromosomas hay genes (y muchas otras cosas, porque los genes son solo un 2% de esos millones de paras de bases). Los genes no son otra cosa que instrucciones para montar proteínas. Lo hacen gracias al código genético, que asigna un aminoácido a cada triplete en la secuencia de bases del gen. Y también gracias a las moléculas que intervienen para que el código genético sea una realidad (ARN polimerasa, espliceosoma, ARNm, ribosoma, ARNt, aminoacil-ARNt-sintetasa).

Pero… Pero tenemos algo más de 20.000 genes, como ya te dije. Sin embargo fabricamos más de 100.000 proteínas diferentes.

¿Cómo hacemos para lograrlo?  :-o

Pues no es difícil, la verdad. Con el splicing. O sea, con el corte y empalme alternativo del ARN. Caaaaalma. Ya verás que es más fácil la idea que esos nombres, que el vocabulario que dice quién hace qué.

Resulta que el ADN hace copias de los genes. Pero en ARN. El ADN no sale del núcleo. Jamás. Y esas copias, antes de llegar a ser leídas, sufren un proceso por el cual pierden unos trozos, llamados intrones. Y quedan otros, llamados exones. Los intrones están intercalados entre los exones. De ahí lo de corte y empalme. Pero si unas veces quitas unos intrones y otras veces quitas otros puedes sacar dos versiones diferentes del mismo ARN. De ese modo logramos variantes de una proteína. Isoformas las llaman.

Tú podrías pensar que para qué queremos esto. Y sería una pregunta muy lógica. Con varias respuestas. Y una de ellas es relativamente sencilla. Porque las condiciones fisicoquímicas en, digamos el corazón, no son las mismas que en, digamos los riñones. Por tanto no viene mal tener preparadas unas variantes (isoformas) de una proteína que funcionen bien el corazón y otras que hagan lo propio en los riñones.

Pero, además, las isoformas pueden tener características diferentes. Te cuento el caso de una que me ha llamado la atención: la piruvato quinasa. Es un enzima importante, que cataliza el último paso de la glucólisis. La glucólisis es una ruta metabólica muy antigua (existe desde antes de que el planeta tuviera oxígeno en su atmósfera) que produce energía (poca) a partir de la glucosa y sin necesidad de oxígeno. Cuando hay oxígeno se logra mucho más rendimiento pero cuando no (anaerobiosis se llama eso), la glucólisis es la única manera de producir energía (p.ej., al realizar un ejercicio intenso en un tiempo breve). Pero esa es solo una de las facetas de este enzima. Resulta que tiene dos isoformas: PKM1 y PKM2. La habitual es PKM1; PKM2 se expresa, sobre todo, en época fetal y poco a poco va siendo sustituida por la PKM1. La diferencia es que PKM2 quita un exón (el 9) que sí aparece en PKM1 e incluye otro (el 10) que no está en PKM1 (que codifica para una región a la que se le puede añadir un marcador, un grupo acetilo, que hace que altere su forma y, lógicamente, modifica su función.). Y eso cambia muchas cosas. Tantas que PKM2 es un enzima que se expresa en células cancerígenas de muy diversos tipos; mientras que PKM1 no lo hace o lo hace poco. De hecho, los análisis de sangre que revelan concentraciones anormalmente elevadas de PKM2 son elementos diagnósticos para varios tipos de cánceres. Porque la piruvato quinasa puede actuar también, además de en la glucólisis, catalizando reacciones de fosforilación de proteínas en el núcleo. Proteínas que pondrán en marcha determinados genes relacionados con la reproducción celular. Pero solo bajo la forma de PKM2. En cambio, concentraciones elevadas de PKM1 inhiben, no se sabe cómo, el desarrollo del tumor.

Son las dos caras de una molécula. Dos caras en dos isoformas pero también en dos funciones. Una en el citoplasma (glucólisis) y otra en el núcleo (fosforilación de proteínas).

Todo por quitar el exón 9 y poner el exón 10…

McCarthy, Nicola (2013). Nuclear or cytoplasmic? Nature Reviews Cancer DOI: 10.1038/nrc3630
Jill D. Dombrauckas, Bernard D. Santarsiero, & Andrew D. Mesecar (2005). Structural Basis for Tumor Pyruvate Kinase M2 Allosteric Regulation and Catalysis Biochemistry DOI: 10.1021/bi0474923

Malditas estrategias víricas…

Variedad estructural de virus
Tomado de Biología Ne

Los virus tienen dos formas: la intracelular y la extracelular. Nuestra imagen habitual de ellos, con una cápsida proteica que contiene el ácido nucleico, incluso con una membrana rodeando a la cápsida, se corresponde, con la forma extracelular. Es lo que conocemos como virión. Y se trata de una forma inerte. No tiene metabolismo, no ejecuta otra función vital que no sea la relación. Y esta de una manera muy reducida. Se limita a reconocer a su diana, nada más. No incorpora ninguna otra información del exterior.

El virión se puede entender como la forma de viaje del virus. Desde una célula hasta la siguiente. Un viaje que puede durar segundos o años. Quién sabe si siglos o milenios…

Una forma al servicio del viaje que tenga que hacer, pero también al servicio de la entrada en la célula cuando la encuentre, cuando finalice su viaje. Y ahí hay diversidad de estructuras. Hay viriones con cápsidas helicoidales, icosaédricas, complejas (que mezclan la estructura helicoidal y la icosaédrica), con envuelta membranosa y sin ella…

La forma intracelular no tiene cápsida. Se trata de su ácido nucleico desnudo. Pero metabólicamente activo. Capaz de poner en marcha su herencia. Que consiste en apoderarse de la maquinaria celular para la replicación y la síntesis de sus proteínas. O bien, integrarse en el genoma y hacer un uso moderado y prolongado en el tiempo de esa maquinaria celular.

Sin embargo, hay virus que no necesitan del virión para viajar de una célula a otra dentro de un mismo organismo. Porque pueden hacer que la célula infectada se fusione con una célula intacta y así contagiarla. El virión lo reservan para cuando tengan que salir de ese organismo y llegar a otro.

Estrategias víricas
Tomado de Wikipedia

Es asombroso que los virus puedan lograr su plan de vida con tan pocos genes, con genomas tan pequeños. Asombroso e intimidante. Por el daño que nos puede hacer. Asombroso y esperanzador. Por cómo podemos aprovecharlo.

A diferencia de las células, cuya herencia reside en ADN de doble cadena, los virus son mucho más versátiles. Siguiendo las ideas de Baltimore, que para eso fue premio Nobel, nos encontramos varias clases.

Los hay con ADN de doble cadena, sí, la clase I. Que pueden empezar a funcionar en cuanto entran en la célula y encuentran una ARNpol. Pero también los hay con ADN de cadena sencilla. La clase II. Cadena sencilla de lectura directa (ADN+). Incluso uno (el TTV de humanos) de cadena sencilla de hebra molde (ADN-). En cualquier caso, los virus de ADN de cadena sencilla, antes poder empezar a inducir a la célula a que produzca ARN, han de completarse. Porque la ARNpol solo lee ADN de cadena doble.

Pero el material genético de los virus también puede ser ARN. Con una diversidad de estrategias asombrosa.

Con ARN de cadena sencilla de lectura directa (ARN+). Es decir, que pueden ser leídos como ARNm por la célula. Pero como la célula no puede fabricar ARN sin ADN, deben contar con los planos para su propia ARN replicasa (ARNpol dependiente de ARN), que sí puede fabricar ARN a partir de ARN. Pero ese ARN que elabora es el complementario, no el del virus. Queda unido a la ARN replicasa para producir, ahora sí, las cadenas complementarias de la complementaria. Es decir, las cadenas ARN+. Que funcionarán como ARNm y como ARN que incorporar al virión. Es la clase IV.

También hay virus de ARN de cadena sencilla pero con hebra molde (ARN-). Esos tienen que llevar dentro del virión una enzima ya elaborada: una ARN replicasa, como en el caso anterior. Su virión no solo porta ácidos nucleicos, sino una proteína activa, que inyecta a la célula (menos mal que Hersey y Chase no hicieron su experimento con este tipo de virus). Este tipo de virus, al inyectar su ARN-, comienzan a fabricar ARN+. Que usan de dos modos: como ARNm para elaborar las proteínas víricas; como molde para el ARN- que entrará en el virión. Es la clase V.

Pero también hay virus de ARN de cadena doble. Que tienen que llevar su propia ARN replicasa dentro del virión. Una replicasa capaz de producir tanto ARN+, que actuará de ARNm, como ARN-. Que se juntará con el ARN+ para formar cadenas dobles que incorporar al interior de los viriones. Es la clase III.

Finalmente están los retrovirus. La clase VI. Que portan ARN+ pero que, para poder convertirlo en información que la célula pueda manejar, fabrican ADN. Que luego será el encargado de servir de plantilla para los ARNm y los que haya que incluir en el virión. Para eso necesitan una enzima especial, capaz de hacer que la información pase de ARN a ADN: la reversotranscriptasa. Una ADNpol dependiente de ARN. Una enzima que también ha servido para revolucionar la biotecnología.

No te cuento más estrategias para no agobiarte. Pero que sepas que existe una clase VII de virus. Que, aun siendo de ADN de cadena doble, se convierten en ARN para luego, mediante una reversotranscriptasa, volver a elaborar ADN. O los ambivirus, que portan una cadena mixta de ADN y ARN…

Como puedes ver, todo tipo de estrategias para abordar el dogma central de la biología molecular. Desde hacer fluir la información siguiéndolo, hasta hacer que la información vaya a la inversa, pasando por el rodeo de fabricar ARN a partir de ARN. Sin embargo, sea cual sea su estrategia, un virus siempre hará uso de la maquinaria de traducción celular, de sus ribosomas, para que la información que contiene llegue a convertirse en proteínas.

Cómo llegue esa información a manos de los ribosomas es lo que es diverso.

Los virus, un cruce de caminos entre evolución, biotecnología, biología molecular y ecología

Dogma central de la biología molecular inicial
Tomado de UCM Genética
Dogma central de la biología molecular revisado
Tomado de UCM Genética

Tras muchos años de investigación y discusión aún no hemos decidido si los virus son organismos vivos o no. Pero sí estamos de acuerdo en una cosa: si son vida, no son vida autónoma. Dependen de células para ejecutar el dogma central de la biología molecular. Y, con él, las funciones vitales de reproducción (fabricar nuevo ADN viral), nutrición (incorporar elementos a su estructura) y evolución (experimentar cambios en su material hereditario que se traduzcan en reproducción diferencial). En cambio, para la función de relación siempre son autónomos. Puesto que poseen proteínas mediante cuyas formas reconocerán a sus dianas.

Así, el virus encuentra en la célula un entorno favorable para su forma de vivir. Posee energía, sustancias a partir de las cuales obtener las suyas propias, maquinaria celular que podrá poner a su servicio. Un virus, si está vivo, solo lo está dentro de una célula. Nunca fuera de ella.

Quizá haya que pensar en los virus como seres vivos que saltan la frontera de la vida en ambos sentidos, hacia un lado y hacia otro.

Pero no solo saltando y ya está. Por que usan de modos distintos y diversos el dogma central de la biología molecular. Sí, esa expresión que suena rara, pero que solo quiere describir cómo pasa la información de unas moléculas a otras. Eso que parecía tan sencillo cuando mirábamos a las células, pero que se complica enormemente al añadir a los virus.

Y pueden hacer todo esto de dos formas. Una, de un modo destructivo para la célula. Replicándose masivamente. Con lo cual se convierten en causa de enfermedad y muerte para los organismos. O no. O también pueden integrarse en ella. Replicándose pausadamente. Y también replicándose cuando la célula lo hace. Y, de ese modo, en ocasiones, conferirle propiedades nuevas, cambiar a la propia célula. Porque los virus, al replicarse, pueden arrastrar genes consigo. Genes que pasan de un organismo a otro. Genes que enriquecen las respuestas que puede dar la célula infectada pero también su patrimonio hereditario. Es lo que se denomina herencia horizontal, independiente de la reproducción. Aún hoy discutimos qué papel ha jugado y juega en la evolución.

Es cierto que todos los virus pueden comportarse de modo destructivo. Y también es cierto que no todos pueden comportarse de manera integrada.

Esas capacidades extraordinarias de los virus hacen que podamos considerarlos herramientas biotecnológicas. Capaces de portar un gen que les hayamos confiado hacia el interior del genoma de un ser vivo elegido por nosotros. Son una de nuestras armas más potentes para transformar a los seres vivos que deseemos transformar en nuestro beneficio. Incluidos nosotros. Comprender y dominar los virus, domesticarlos, puede significar adquirir un poder inmenso para manipular la biosfera. Otra cuestión es cómo usar bien ese poder…

Se calcula que el número de virus excede al de células en un factor de 10. Si fueran vida, si los consideráramos así, serían, con mucho, la forma más abundante de vida del planeta. Y ninguna célula está a salvo de ellos. Ninguna. Que sepamos.

Por tanto, si son vida, deben ser una forma de vida evolucionada a partir de lo que consideramos “vida normal”. Porque sin células no puede haber virus.

La autonomía de la célula en una molécula que se creyó aburrida

Uno de los mayores hallazgos de la historia de la ciencia es el descubrimiento de que el ADN es la molécula de la herencia y que contiene toda la información necesaria para que una célula ejecute sus funciones. Y para que, en el caso de los pluricelulares, construya toda la organización del ser vivo. Información, por tanto, funcional y estructural. Combinadas. En un mismo lenguaje, el de la secuencia de nucleótidos.

¿Por qué uno de los mayores descubrimientos? Porque eso hace a la célula autónoma. De cualquier entidad exterior a ella. Sea una divinidad, sea un ser mitológico, sea un principio misterioso. No, no… La vida no es misteriosa. Es complicada y compleja. Difícil de investigar porque nace a escala molecular y se propaga hacia lo supramolecular. Pero no es misteriosa. Es asequible; siempre que contemos con la tecnología adecuada.

Hacia mediados del siglo XX se contó con la mezcla adecuada de ingenio y tecnología. O, al menos, Avery, McLeod y McCarty la alcanzaron. Lograron identificar qué molécula era responsable de algo, descubierto 15 años antes por Griffith, y que aún no se había logrado explicar.

Experimento de Griffith
Tomado de Wikipedia

El experimento de Griffith

Si “A” no mata, y “B” no mata, “A” junto con “B” tampoco deberían matar, ¿no? Pues sí que matan, sí… “A” y “B”, que por sí solas no causan problemas, cuando están juntas matan.

¿Qué es “A”? ¿Qué es “B”?

“A” son bacterias de una cepa no patógena de Streptococcus pneumoniae. La cepa R, concretamente. Y “B” son bacterias muertas por calor de una cepa patógena de Streptococcus pneumoniae. La cepa S, concretamente. Una cepa que produce neumonía. Al inyectar la cepa R en ratones, no pasaba nada, no había enfermedad. Y tampoco al inyectar la cepa S tras matar las bacterias mediante calor. Pero… Pero al inyectar ambas simultáneamente, la cepa R viva y la S muerta, el ratón sufría neumonía. Algo había en la cepa S capaz de transformar a la R. Pero también a su descendencia. Porque del ratón muerto se recuperaban bacterias S vivas. Y sus hijas eran también S.

Durante mucho tiempo, durante 15 años, este resultado no supo ser explicado.

El experimento de Avery, McLeod, McCarty

Consistió, en esencia, en repetir el experimento de Griffith. Pero no con bacterias de la cepa S muertas por el calor, sino con fracciones moleculares de ellas. Es decir, quitando unas moléculas para dejar otras. Cuando quitaban lípidos y proteínas y dejaban solo los ácidos nucleicos, se producía el mismo resultado de Griffith. En cambio, quitando los ácidos nucleicos y dejando los lípidos o las proteínas, no lo lograban. Es más. Añadiendo enzimas que rompían el ARN se seguía obteniendo la transformación en patógena de la cepa R. Pero añadiendo enzimas que degradaban el ADN no se lograba nada de eso.

Por tanto concluyeron que el ADN era la molécula portadora de la herencia.

Pero su idea fue poco aceptada. Porque se consideraba que el ADN era una molécula poco interesante, formada por repetición constante de nucleótidos unos tras otros. De hecho, se consideraba, entonces, que el ADN de todos los seres vivos era igual porque tenía las mismas propiedades químicas y físicas. En cambio, las proteínas resultaban moléculas más interesantes, con más “glamour”. Eran diferentes de unos seres vivos a otros. Hacían multitud de cosas.

No, no… La vida no podía haber elegido para una cosa tan interesante como la herencia a una molécula tan aburrida (se pensaba entonces) como el ADN.

El cambio de mentalidad gracias a Chargaff

Poco después, el ADN comenzó a convertirse en una molécula mucho más interesante gracias a los resultados de Chargaff. Que descubrió que las cantidades de adenina y timina eran iguales entre sí. Y que las de guanina y citosina también entre sí. Pero lo que había de adenina y timina no tenía por qué ser igual que lo que había de citosina y guanina. Es más. En cada especie las cantidades de ambas parejas eran distintas de las de otras especies. Y razonablemente constantes dentro de ella. Al menos en lo tocante a animales.

Eso hizo que se prestara más atención al ADN. Eso facilitó que Hersey y Chase pensaran en una manera distinta de corroborar los resultados de Avery, McLeod y McCarty.

Experimento de Hersey-Chase
Tomado de Wikipedia

El experimento de Hersey-Chase

En microbiología se aceptó pronto que el ADN era el responsable. Al fin y al cabo, Griffith, Avery, McLeod y McCarty eran microbiólogos. Pero en el resto de las ramas de la biología, no. No hasta que otros microbiólogos, Hersey y Chase, lograron confirmar, con otro enfoque, los resultados previos. Intrigados, también por el interés que los descubrimientos de Chargaff habían revelado que tenía el ADN, esa molécula que había pasado de aburrida a interesante.

Infectaron bacterias con virus marcados. De dos tipos los virus. Los había que llevaban en su ADN un isótopo radiactivo del fósforo: 32P. Y es que las proteínas no tienen fósforo. O, mejor dicho, no en cantidades apreciables (pueden llevar algún que otro grupo P, pero muy poca cosa comparado con el ADN). Y los había que llevaban en sus proteínas un isótopo radiactivo del azufre: 35S. Y es que el ADN no tiene nada de azufre. Pero nada nada.

Infectaron las bacterias con virus marcados en su azufre. Y dentro de las bacterias no había ninguna radiactividad. De ninguna clase. Pero se producían los virus hijos. Luego las proteínas no eran. Luego infectaron con virus marcados con fósforo. Y dentro de las bacterias sí que había radiactividad. Aún más. En algunos virus detectaban esa radiactividad (no en todos, claro, porque los virus nuevos fabrican ADN nuevo, sin marcar).

1952 fue la fecha del experimento de Hersey y Chase. 1953 fue la fecha en la que Watson, Crick y Wilkins, basándose en los trabajos de Franklin, descubrieron la estructura del ADN, que encajaba perfectamente con los descubrimientos de Chargaff.

El resto de cómo hemos ido descubriendo la autonomía de la célula, su independencia de cualquier dios, mito o principio misterioso, de cómo hemos ido aumentando nuestro desconocimiento y dándonos cuenta de que no hay misterios sino hechos por descubrir, ya es historia escrita y bien conocida. Historia viva de la que somos herederos.

El citoesqueleto me ayuda a criticar la selectividad

La capacidad de moverse debió aparecer muy pronto en la evolución celular. Es verdad que para una célula individual puede ser suficiente dejarse llevar por movimientos del medio. Pero seguro que es preferible decidir acercarse a los recursos y alejarse de los peligros en vez de confiar en el azar. Y no digamos para un organismo pluricelular, en el que, a partir de una masa inicial, no ordenada, resulta vital para el desarrollo que cada célula migre hacia su destino final.

Pero la movilidad también tiene caras oscuras, poco amables. Un tumor produce metástasis gracias a la movilidad de las células que lo integran.

Citoesqueleto
Tomado de Brentwood

¿Qué necesita una célula para moverse? Citoesqueleto. O flagelos, que son una de las modalidades del citoesqueleto.

Pero el citoesqueleto no solo mueve a la célula. También mueve su interior. Porque gracias al él hay paquetes cargados de biomoléculas que llegan a su destino, al sitio donde deben estar, mucho más eficientemente. Gracias al citoesqueleto la célula puede especializar regiones de su interior. Porque fiando únicamente al azar, las proteínas nunca llegarán a un sitio concreto, y solo a ese, sino que se dispersarán hacia todas partes. Por tanto, el citoesqueleto resultó un elemento indispensable para que la célula eucariota, compartimentada, pudiera surgir. Sin él hubiera sido imposible tener orgánulos membranosos albergando una función específica en su interior.

Pero no solo eso. El citoesqueleto es el andamiaje sobre el que se montan y desmontan membranas. Sí, sí. Membranas. Eso tan importante que constituye el límite de la célula, el lugar en el que residen la función de nutrición y la de relación, el sitio del que parten las señales que indicarán al ADN qué genes serán leídos y cuándo. Sin el citoesqueleto, la membrana eucariota no es gran cosa… Sobre todo cuando el citoesqueleto, además de sostenerla, de darle forma, ancla algunas proteínas a algunos sitios y las modula en su acción. Y, si cambia el citoesqueleto, cambia el lugar de esas proteínas y cambia la forma en que se comportan. Quien es capaz de organizar la endocitosis y la fagocitosis, quien pone y quita y mantiene proteínas en un sitio concreto, no es un mero soporte físico, no.

Matriz extraceular y citoesqueleto
Tomado de Universidad Técnica de Darmstadt

No solo eso. El citoesqueleto, en los organimos pluricelulares, conecta con la matriz extracelular (a través de la membrana). Sí, sí, esa que da soporte a los tejidos. Así,matriz extracelular y citoesqueleto son caras de la misma moneda, con la membrana en medio, relacionándose con ambas partes. Pero, además de conectar hacia fuera, también conecta hacia dentro, con el citoesqueleto del interior del núcleo. Sí, sí. Ese que interactúa con los genes para que se expresen. ¿Y qué significado tiene esto? Uno muy llamativo (a mí me parece llamativo). Que mediante una serie de tensiones físicas, de empujes y tirones, el citoesqueleto propaga información. Tirones y empujones que, partiendo de un lugar, llegan a otro. Y, allí, provocan una reacción química, allí esas fuerzas se convierten en señales moleculares. Lo cual se  conoce como mecanotransducción. Es algo muy parecido a tirar de una palanca, mover un cable y, en el extremo de ese cable, provocar una reacción. De ese modo, mediante esfuerzos físicos, una célula puede afectar a lo que sucede en el núcleo de otra célula, aunque esté algo alejada. En realidad deberíamos concebir a las células de un tejido como un todo interconectado, con el citoesqueleto y su prolongación, la matriz, como una red por la que viaja información que se convierte en acciones químicas, en síntesis de proteínas. Que logra coordinar el modo en que se ejecutan funciones por un conjunto amplio de células…

Mitosis y citoesqueleto
Tomado de CellDynamics.org

¿Quieres más? ¿Te has preguntado alguna vez qué ocurre en la mitosis con la membrana nuclear, cómo desaparece y luego reaparece, cómo se organiza la cromatina en cromosomas, cómo estos se desplazan y luego se parten en cromátidas hermanas y luego estas van cada cual a su sitio? El citoesqueleto no solo actúa decisivamente en la relación y en la nutrición, como te decía antes; o en la transmisión de información mediante la mecanotransducción, como te indicaba en el párrafo anterior. También es protagonista en la reproducción.

¿Y sabes lo que me da más rabia? Que nada de esto te lo cuenta un libro de texto de enseñanzas medias… ¿Es que tienen miedo de la biología de verdad? Me refiero a la biología dinámica, de procesos… Es raro que se centren en descripciones que parecen fotos fijas cuando la célula, la real, es mucho más un vídeo que una foto. Y, en gran parte, es un vídeo gracias al citoesqueleto. ¿De verdad crees que en un par de párrafos se puede dar por conocido el citoesqueleto, teniendo en cuenta que sus proteínas son las más abundantes de la célula? ¿Teniendo en cuenta que interviene en todas las funciones vitales y que lo hace, no como un actor secundario, sino como el principal?

Fíate menos de tu libro de texto… Y más del profesor o profesora que tengas, de hablar con ella o con él. De preguntarle.

Y, desde luego, si en selectividad te preguntan definiciones, y no el sentido de las cosas, fíate NADA de que selectividad sea algo más que un mero filtro que clasifica a la gente según unos parámetros que nada tienen que ver con el aprendizaje y mucho con la apariencia de aprendizaje.

Te dejo un vídeo con algunos conceptos de citoesqueleto, que espero ampliar, y un gráfico con lugares celulares donde actúa, donde es importante.

Funciones del citoesqueleto
Tomado de Nature

Filosofía de célula, virus y viroides

Es complicado definir vida. Por la sencilla razón de que es un fenómeno evolutivo. Es decir, no es un estado estacionario. La vida misma ha concretado algunas de sus características desde su origen. Incluso ha adquirido algunas que consideramos hoy como algo esencial, consustancial a la vida. Pero que no las tenía al principio.

Para resolver la cuestión podemos recurrir a dos enfoques. Uno inclusivo, que trate de recoger todo lo que sea vida. Es un enfoque maximalista. Otro restrictivo. Que busca qué es lo mínimo que comparten todas las formas de vida. Incluso las más extremas, las que están en la frontera, las que dudamos en incluirlas dentro de lo vivo, como virus y viroides. Este es más bien minimalista. Sea cual sea el enfoque, en ambos casos hay que ir a las raíces, al origen de la vida. Para comprender qué tenía entonces, y definirla así (restrictivo) o para recoger toda la variedad que ha desarrollado desde entonces (inclusivo).

Hoy, tras haber leído un artículo de opinión de Edward Trifonov, me centro en el enfoque restrictivo. Gracias a él podemos llegar a una idea: la de información almacenada en moléculas, capaz de autoreplicarse fielmente, pero no exactamente, y de crear un entorno favorable a ese proceso; o de aprovecharlo si lo encuentra.

Viroide
Tomado de Cronodon.com

Esa definición altera la idea que tenemos de célula. Porque la célula ya no sería la vida, sino ese entorno favorecedor. Un entorno que la vida crea porque contiene las instrucciones para ello. O también un entorno que la vida aprovecha cuando lo encuentra. Y así incluimos virus y viroides como formas de vida. Porque sabrían usar entornos ya creados, aunque no sean propios. Tendrían por tanto dos modalidades: vida y vida a la espera de ser vida.

Con este concepto la vida baja a un nivel molecular. Y no sale de ahí. Y todo lo demás su hábitat. La vida no sería, entonces, un fenómeno celular. La célula dejaría de ser la unidad mínima de vida para cederle el trono a una molécula capaz de autorreplicarse al encontrar un entorno favorable para ello. Y capaz de pervivir mientras lo encuentra y no lo encuentra.

¿Y tú y yo? ¿Qué seríamos tú y yo? Seríamos portadores de vida. Pero no seríamos vida. Seríamos su producto, su entorno, su hábitat.

Bueno, como puedes comprobar, todo esto es modos de mirar. Uno de entre varios posibles. Ni siquiera uno que me convenza plenamente porque yo me inclino por entender la vida como una propiedad emergente, algo que ninguno de sus elementos tiene pero que aparece cuando se juntan todos. Algo que posee el conjunto pero no las partes. Igual que las ruedas de un coche o su volante no tienen la propiedad “ir a alguna parte” a no ser que se organicen con todos los elementos necesarios.

Pero me ha interesado mirar así. Me gusta contemplar las cosas desde varios ángulos. Me amplía. De hecho, admito que tiene mucho sentido desde el punto de vista de la biología molecular.

Pero, ¿sabes que te digo? Que sea yo un ser vivo o un mero portador, me voy. A tomar un café. Ahora mismo… :P

Complemento es mal nombre para ese amplificador colaborativo y protagonista

Tenemos unas 30 proteínas en la sangre que nos defienden. Actúan como un equipo para conseguir una cosa muy difícil: lograr montar una respuesta grande ante una señal pequeña. Por tanto, es un sistema amplificador. Pero que, a la vez, tiene que estar muy controlado. Para evitar falsas señales, falsas activaciones.

Se le llamó complemento porque, cuando se descubrió, se entendió que “complementaban” la acción de los anticuerpos. Que iban con ellos vamos… Y resulta que ese es un mal nombre. Que es justo al revés. Que los anticuerpos complementan al complemento… Y es que la evolución ha ido desarrollando armas inmunes en una secuencia. Pero nosotros las hemos ido descubriendo en otro orden. Es la razón de que nuestra nomenclatura sea mala, poco explicativa. Las denominaciones de muchos elementos de la inmunología obedecen al estado del conocimiento cuando fueron halladas, no a su significado real. Que, probablemente, hemos ido entendiendo después. Incluso mucho después, tras hacer nuevos descubrimientos y encajar mejor las piezas. Que descubramos algo no significa que lo entendamos del todo porque es posible que nos falten las interacciones con elementos que aún no conocemos.

Por esa misma razón, los nombres tan extraños de las proteínas del complemento. Que sí, que es lógico que todas ellas se llamen “C” seguido de un número. Incluso se puede entender eso de “C1q” o “C1r” o “C1s”. Porque las proteínas del complemento se fragmentan en trozos (de ahí las letras) y cada pedazo tiene su propia función, diferente del resto de pedazos y también diferente de la cadena de la que procede. Pero…. Pero resulta que la “C2″, p.ej., no es la segunda proteína que actúa. ¡Es la segunda que se descubrió! De ahí que sus secuencias de actuación resulten extrañas… P.ej. C1, C4, C2, C3, C5, C6, C7, C8 y C9.

Con los macrófagos, el complemento es la principal herramienta de respuesta innata. Por tanto, con macrófagos, el complemento es el que actúa todos los días y todos los días vence a millones de posibles patógenos sin que tú te enteres de ello. Recuerda que el objetivo de la inmunidad innata es que no caigamos enfermos… El complemento ha sido “patito feo” de la inmunología cuando en realidad es una de sus estrellas.

Activación del complemento
Tomado de Revista Médica Vallejiana

¿Qué logra el complemento? Lisar células. Que revienten, vamos. Y lo consigue colocando en sus membranas poros. Poros que desbaratan los gradientes (las diferencias de concentración y/o carga entre dentro y fuera de la célula; eso que es imprescindible para vivir). Pero no solo hacen eso. También facilitan la fagocitosis (opsonizan), ayudan a inflamar y colaboran con el barrido de los restos de la batalla (eliminación de los inmunocomplejos formados durante la respuesta).  Incluso amplifican a su amplificador, estimulan la respuesta específica que los estimula a ellos. En un bucle que nos lleva, en la mayoría de las ocasiones, a la curación.

Pero no lo olvides… El complemento funciona perfectamente sin anticuerpos. Colaborar con ellos es una de las cosas que hace. Pero por su cuenta consigue luchar, y luchar bien. Tan suficientemente bien que, junto con los macrófagos, impide que nos sintamos enfermos (si te sientes así es que se ha activado la inmunidad específica).

Hay tres modos de activar el complemento. La más antigua evolutivamente (pero no la primera que se descubrió) es la vía alternativa (qué mal nombre para la forma más habitual de activarse el complemento en el día a día…). En ella el complemento identifica y ataca directamente patrones moleculares habituales en patógenos. Y lleva unos 500 millones de años haciéndolo en vertebrados, probablemente más en otros animales… La más moderna evolutivamente es la vía clásica (que fue la primera que se descubrió, de ahí su nombre, tan equivocado él). Esta solo existe en vertebrados y requiere de inmunoglobulinas para activarse. Y hay una tercera, identificada no hace mucho, que se llama vía de las lectinas. Que, evolutivamente, es intermedia. Más antigua que la clásica, más moderna que la alternativa. La vía de las lectinas mezcla características de la vía alternativa y de la clásica. De la alternativa tiene que es activada por antígenos bacterianos genéricos (que son portados por muchas clases de bacterias). De la clásica tiene que no es el antígeno quien activa directamente, sino unas proteínas adaptadoras, intermediarias. Las llamadas ficolinas y también las llamadas MBP (alias MBL; los científicos son así, le ponen a veces varios nombres a lo mismo y no se aclaran…).

Sea como sea que se active el complemento, al final siempre produce lo mismo: el complejo proteico de ataque a la membrana. Un poro, vamos. Un destructor de gradientes. Un eliminador de diferencias entre dentro y fuera. O sea, letal. Pero las tres vías tienen otro elemento común: en todas ellas hay proteínas del complemento que son troceadas, escindidas. Y algunos de los fragmentos se unen a la membrana del patógeno para atacarla. Pero otros fragmentos difunden por el medio que rodea a nuestras células, ejerciendo funciones inmunitarias complementarias. Como inflamar, o activar a otras células, p.ej. Digamos que el complemento es una ruta muy versátil. Y muy antigua y eficaz, tanto en su versión llamada alternativa como en la de las lectinas. Quizá la podríamos considerar nuestra mejor arma contra microorganismos. De hecho los organismos que se considera que tienen un sistema inmune más potente, más resistente, son bastante antiguos: los tiburones. O sea, que la evolución ha confiado durante mucho tiempo en el complemento y los anticuerpos parecen haber nacido para ayudarle. Aunque luego se han empleado, también, para activar a otras células. Como hace el complemento… Anticuerpos y completemento, caminos paralelos…

Y un tercer elemento común es la cascada de señales. Que consiste en que una proteínas del complemento, o un trozo de ella una vez rota y activada (y es que algunas de sus proteínas se activan al romperse; ahora después te cuento), pone en marcha a la siguiente. La cual pone en marcha a la siguiente. Y así. Pero no una a otra, no. Lo he dicho mal. Una a muchas. Y aquí reside el mecanismo amplificador. Para que te hagas una idea: la C3b activa millones de la siguiente en apenas un par o tres de minutos.

Aclaramiento de inmunocomplejos
Tomado de Revista Médica Vallejiana

Te decía hace un momento que la fragmentación de proteínas del complemento activa a algunas de ellas. Es decir. Que existen en una forma inactiva que ha de ser cortada para que cada trozo ejecute su función. ¿Por qué? Para dos cosas. Una, para tener mayor control de lo que sucede (el complemento es peligroso, no puede estar permanentemente en marcha, solo cuando se le necesite). Y otra para repartirse el trabajo las distintas proteínas. Unos trozos servirán para abrir un agujero. Otros para hacer más atractivo al patógeno para los macrófagos. Otros son amplificadores de la vía y despiertan a millones de sus compañeras. Otros provocan inflamación para crear un entorno más desfavorable al patógeno. Otros avisan a otras células para que se añadan a la lucha.

Muchas células del sistema inmune tienen en su membrana receptores capaces de reconocer a algún miembro de la familia del complemento. Por si el patógeno es capaz de resistir los agujeros que les hace el complejo de ataque a su membrana. Y no solo células del sistema inmune, no. Muchas células de tejidos, por todo el cuerpo, tienen proteínas reguladoras del complemento. Para evitar que falle y se líe a hacer agujeros en cualquier sitio. Pero también las hay que se unen a él para retirar los restos tras el éxito, también para el trabajo de limpieza. De eso se encargan los glóbulos rojos, a los que se pegan moléculas del complemento y los restos del patógeno que ellas traigan adheridos. Y los hematíes descargan todo eso en el hígado, la central de limpieza. Allí trabajan macrófagos para destruir todos esos componentes. Y parte de ellos tú los desechas mediante la bilis. Trozos de patógenos que ni siquiera sabías que habían entrado en ti.

Por vía fecal. Recuérdalo la próxima vez que pases por el cuarto de baño… :-P

El concepto de gen es colaborativo

El concepto de gen no es un concepto fácil. Y es que solo el 5% del ADN es codificante. Es decir, solo esa pequeña parte lleva información directa para construir proteínas. Entre ese 5% se situan amplias regiones de ADN, a veces muy repetitivo. Y dentro del ADN codificante se alternan regiones no codificantes, llamadas intrones, muy variables, con otras más conservadas, ya sí codificantes, llamadas exones.

Así que, o bien el ADN no es la molécula repleta de instrucciones que creíamos, sino más bien un desierto informativo con algunos oasis (los genes), o bien tenemos mucho que aprender todavía…

El problema de tanto ADN cuya función informativa aún no comprendemos bien, se pone de relieve si nos damos cuenta de la magnitud del problema para una célula. Que ha de lidiar con unos 2 metros (sí, sí, 2 metros) de ADN. Esa es su longitud aproximada. Y todo él empaquetado dentro de ella, en su núcleo. Si hay tanto ADN, y trabajar con él es tan complicado, ha de ser por buenas razones… Si no, la evolución lo hubiera podado.

Por cierto… el grado de empaquetamiento del ADN, teniendo en cuenta su volumen real y su longitud estirado, es de 105. Otro día hablamos de la cromatina…

Nosotros tratamos de comprender las cosas poniéndoles nombre y definiendo lo que son. Así, un gen es la secuencia de ADN necesaria directamente para la síntesis de un producto funcional (ARNm transcrito primario, que sirve para elaborar proteínas; hoy también se tiende a aceptar considerar como genes a los que producen ARNt, ARNr, y otros tipos de ARN, aunque al final no generen proteínas). Por tanto, un gen incluye algo más que la región directamente codificante (cuando yo estudiaba ni se definía ni se entendía así). Y ni siquiera todo el ADN que forma parte de un gen ha de estar junto en el mismo sitio. Fragmentos de él pueden estar alejados unos de otros, separados por ADN que no son el gen (o que creemos que no lo son).

Así, si te das cuenta, el gen ya no es un lugar en el cromosoma. Es una serie de lugares unidos por una función, por una cooperación para lograr un producto común. Un gen es más un concepto colaborativo, funcional y disperso y menos un lugar concreto. ¿Cómo sé qué regiones forman parte del gen? Pues probablemente porque mutaciones en ellas repercuten en el producto que tienen que crear.

ATP, ATPasas, quinasas y tu energía

ATP
Tomado de Wikipedia

El ATP es un intermediario energético universal en el metabolismo de todos los seres vivos. De todos. Sin excepción. Es la molécula elegida por la vida para captar energía de algunas reacciones; y también para cederla en otras. Pero no solo en eso. El ATP se emplea durante la actuación de proteínas contráctiles. En el movimiento, vaya… Y en el mantenimiento de gradientes, pasando solutos de un lado a otro de los compartimentos, en contra de la concentración.

Una persona sedentaria, adulta, no gasta mucha energía al día. Unas 2.000 Kcal. Lo cual significa… ¡Unos 80 Kg de ATP! Diarios… Y solo tenemos unos 250 gr de esa sustancia en nuestro cuerpo… ¿Cuál es el secreto? Reciclarlo. Formarlo, guardando energía en él. E hidrolizarlo, obteniendo energía de él. Y cada molécula se recicla unas 300 veces al día. Por tanto, el ATP no es un almacén. No lo es. Almacenes de energía son lípidos y glúcidos. Y en momentos de emergencia, incluso proteínas. Pero no el ATP. El ATP y las moléculas relacionadas con él (NAD, FAD, NADP, GTP…) son intermediarios metabólicos. Son las moléculas que conectan unas reacciones con otras. Se forman en unas, se gastan en otras. Y vuelta a empezar. Por eso las plantas tienen que tomar el sol un día tras otro, por eso tú y yo tenemos que comer todos los días. Para recargar el ATP.

La hidrólisis del ATP libera unas 7 u 11 Kcal mol-1. Dependiendo de que se hidrolicen uno (ADP + Pi, que es el símbolo del ortofosfato) o sus dos enlaces (AMP + PPi, que es el símbolo del pirofosfato). Que por cierto… Se llaman fosfoanhidros. Los enlaces, digo. Yo creo que habría que saber los nombres de las cosas de las que depende nuestra vida…

ATP-ADP
Tomado de Respiration has two meanings

¿Por qué tiene el tercer enlace fosfoanhidro del ATP más energía que los otros dos, los que forman ADP y AMP? Hay tres razones. La primera. Resulta que el ortofosfato y el ADP son estructuras moleculares que están estabilizadas por enlaces resonantes. Pero cuando se reúnen, cuando se ligan, parte de esa resonancia se pierde y el resultado es más inestable de lo esperado. La segunda. La repulsión electrostática. Y es que la densidad de carga negativa del ADP ya es alta, y cuando se le añade un Pi aumenta aún más. Y la tercera. El ADP está más estabilizado por su unión a las moléculas de agua del medio de lo que lo está el ATP. Añadir el Pi cuesta trabajo por la inestabilidad que introduce en las moléculas de agua que rodearían al ATP resultante. Cada una de esas tres fuerzas contribuye en cierta medida para que ese último enlace fosfoanhidro del ATP sea más energético que los anteriores.

Y si la hidrólisis libera esas cantidades, su formación capta otro tanto… Por tanto, la formación y ruptura de ATP se puede acoplar a reacciones catabólicas y anabólicas respectivamente. Pero son reacciones que, como comprenderás, no se dejan al azar, no. Están catalizadas, claro está. Por unas enzimas llamadas quinasas. Que pueden funcionar en ambos sentidos, son reversibles.

Quinasa
Tomado de Cure Talk

Podríamos considerar a las quinasas como uno de los grandes inventos de la vida. Capaces de acoplar reacciones energéticamente desfavorables a la muy favorable ATP -> ADP + Pi. Y así hacer posibles las primeras. O capaces de acoplar reacciones energéticamente favorables a la muy desfavorable ADP + Pi -> ATP. Y así hacer aprovechable la primera. ¡Son las quinasas de tu cuerpo y tú sin saber de ellas!

Aparte de eso, el ATP se puede fabricar también al convertir, unas proteínas de membrana llamadas ATPasas, la energía almacenada en gradientes de concentración y/o eléctricos. ¿Suena raro? Ya, lo entiendo… Pero es que es así. El ATP se logra, no solo rompiendo enlaces, sino pasando sustancias de un lado a otro y acumulándolas. Y, luego, permitiéndoles entrar de nuevo. Pero aprovechando su paso a través de la membrana para que esa energía, la de pasar de un lado a otro, se convierta en ATP. ¿Sigue sonando raro? Ya, lo entiendo… Es que no estamos acostumbrados a ver que una diferencia de concentración entre dos compartimentos represente una energía. Pero lo es, lo es. Porque es un desequilibrio. Y todo desequilibrio, toda diferencia de potencial, representa una energía. Que se puede aprovechar. Que la vida ha aprendido a aprovechar gracias a las ATPasas.

ATPasas y quinasas… Para que hagas cosas con la energía que te prestan. Cosas buenas, por favor… :)

Ciclo del ATP
Tomado de Plant Biochemistry

Endosimbiosis bacteriana y políticos a los que les toca la lotería varias veces

Las mitocondrias son orgánulos que proceden de un proceso de endosimbiosis. Sí, sí, ese proceso por el que un organismo introduce dentro de sí a otro y, en vez de digerirlo se lo queda y se aprovecha de él y lo mantiene. O quizás fue al revés, que el que se introducía buscaba matar al hospedador, pero de alguna manera este aguantó con él dentro y terminaron colaborando.

El caso es que fue hubo una simbiosis. La cual fue única, sucedió una única vez. ¿Cómo sabemos eso? Porque las mitocondrias de diversos organismos tienen diferentes genomas. Es decir, hay mitocondrias que han perdido genes por el camino de la historia. Probablemente porque a la célula no le hacía falta que los tuvieran, quizá por habérselos pasado al genoma de la célula. El resultado es que todas las mitocondrias tienen ADN propio, pero ese ADN no es exactamente igual en todas las mitocondrias de todos los eucariotas.

Reclinomonas
Reclinomonas tomado de EOL

Hay algunos genes mitocondriales que están presentes en todas ellas, estén en el eucariota que estén. Sin embargo, eso no garantiza que la endosimbiosis fuera un proceso único, no. Eso garantiza que en todas ellas hubo un evento de endosimbiosis común. Pero los demás genes, pudieron llegar por otros eventos. Y la mitocondria ser el resultado de varias endosimbiosis.

Pero no.

Pero hay un protozoo, llamado Reclinomonas americana, que tiene todos los genes. Todos. Todos los genes que tienen todas las demás mitocondrias. Cualquier gen que haya en una mitocondria cualquiera en un eucariota cualquiera, ese gen lo tienen las de Reclinomonas americana. Y sí que sería muy, muy, muy, muy improbable que haya habido varios episodios de endosimbiosis y que todos le hayan pasado a Reclinomonas. Eso es como cuando hay políticos que dicen que le tocan premios importantes de la lotería varias veces (y encima ponen cara de ofensa porque no nos lo creamos…).

La estadística sirve para mentir. Pero la estadística no miente…

Rickettsia
Rickettsia tomada de MicrobeLibrary

Además, comparando los genes de las mitocondrias con los de las bacterias, hemos encontrado una candidata a ser pariente de ellas: Rickettsia prowazekii. Las mitocondrias y Rickettsia debieron tener antepasados comunes.

Ya sabes a quién le debes tu energía…

La próxima vez que oigas un nombre raro, no huyas de él. Al revés. Trata de averiguar si es algo importante en tu vida. Que una palabra extraña, o que no conoces, no te aparte ni del saber, ni de lo que podrías hacer con ese saber.