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.

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

Anticuerpos, perros de presa para cuando todo lo demás no ha funcionado

Inmunoglobulina
Tomado de Wikipedia
Interpretación de inmunoglobulina
Tomado de Ciencia Hoy
Isotipos
Tomado de Betina.org

Las inmunoglobulinas son las proteínas de reconocimiento de antígenos elaboradas por los linfocitos B de vertebrados. De ellas hay dos versiones. Una de membrana, el BCR. Otra soluble, los anticuerpos. Ambas muy similares, ambas capaces de reconocer al mismo antígeno si han sido fabricadas por el mismo linfocito.

Los anticuerpos cuentan con cuatro cadenas. Iguales dos a dos. Por tanto, los anticuerpos son proteínas dotadas de simetría. De las cadenas, dos son mayores que las otras dos. Y se las llama pesadas, claro… A las primeras, porque a las segundas se las conoce por el original nombre de ligeras. No me digas que no son creativos… :-P

Las cadenas pesadas se unen con las ligeras en una parte de ellas, y entre sí en otra parte. Mediante puentes disulfuro para sujetarse fuertemente. Eso le da el aspecto de “Y”, con la unión a ligeras en la zona abierta y su conexión mutua en el palo de la letra. Ambas zonas son diferentes funcionalmente. La región de unión entre pesadas y ligeras es el lugar encargado de reconocer al antígeno. Y es muy variable porque hay muchos antígenos que reconocer; dos anticuerpos son diferentes entre sí porque son diferentes en este lugar. La región de unión entre ambas pesadas es la encargada de contactar con el resto de los componentes del sistema inmunitario a los que vayan a activar. Y es muy constante. Todos los anticuerpos son iguales si los miras por este lado. Y es lógico, porque van a contactar con los mismos elementos, sean macrófagos, linfocitos, complemento…

Hay cinco tipos de cadenas pesadas. No, no todas son iguales. Y, de esa manera, tenemos cinco tipos de anticuerpos, cinco isotipos: IgM, IgD, IgG, IgA, IgE (supongo que habrás adivinado que “Ig” significa inmunoglobulina…). También hay dos tipos de ligeras pero… pero son funcionalmente idénticas, así que no le voy a prestar más atención a eso hoy. ¿Por qué te cuento los tipos de cadenas pesadas? Porque esas diferencias las hacen capaces de unirse, o no, a unos receptores concretos. Y, por tanto, activar unos mecanismos inmunitarios u otros. Las inmunoglobulinas M, D, G, A y E actúan de modo distinto. Además, IgM es un pentámero (cinco unidades de inmunoglobulina unidas entre sí) e IgA es un dímero.

¿Qué logramos hacer con anticuerpos? Lo más básico, y muchas veces lo más eficiente, es recubrir físicamente al portador de antígenos. Con una capa de anticuerpos sobre él, unidos a todos los puntos a los que se puedan unir. Eso se llama neutralización del patógeno. Eso lo logran por sí mismos. Con sus partes variables. Que son las que ejecutan ese verbo: neutralizar. Y si el anticuerpo da con un antígeno diana que es importante para que el patógeno actúe (p.ej., una molécula que usa para reconocer a la célula a la que ha de dañar), pues todavía mejor…

Pero con sus partes constantes, fácilmente reconocibles por muchos otros agentes del sistema inmunitario, puede inducir más acciones, activarlas. Ese es el verbo de sus partes constantes: inducir. IgM, IgG e IgA pueden activar al complemento (por la vía clásica). Puede estimular la fagocitosis por los macrófagos (y por cualquier otra célula que tenga el receptor FcR). A esta estimulación de la fagocitosis se le ha dado un nombre propio: opsonización. Puede promover la acción citolítica (ya sabes, hacer agujeros en membranas) de linfocitos NK y eosinófilos. Pero también de neutrófilos y macrófagos, aunque estos en menor medida (son capaces de ejecutar esa función pero no es su profesión, no son especialistas en ello). IgE puede activar a basófilos y mastocitos y, por tanto, estimular la inflamación (de ahí que la alergia venga mediada por esa inmunoglobulina).

Y no hemos acabado… Es que IgM e IgA reconocen, con sus partes constantes, a otras que son como ellas, a otras IgM o a otras IgA. Y se unen entre sí, se polimerizan. Imagina que eres patógeno y se te han pegado múltiples IgM o IgA. Ahora, junto a ti, hay otro patógeno. Y tus IgM o IgA se unen a las de él, se enredan. Y otro. Y otro más. No puedes arrastrar todo ese peso, no puedes desplazarte. Solo te queda esperar a que te rematen. Es lo que se llama aglutinación.

Resumiendo, y en palabras sencillas y muy claras tomadas del fantástico libro de Inmunología de Regueiro, Lopez, González y Martínez (uno de los más recomendables que conozco en este tema), en sus palabras, te decía…:

“Las inmunoglobulinas reconocen antígeno en su estado nativo y lo hacen más manejable.”

Es decir, por el antígeno saben donde está el patógeno y mejoran el impacto de acciones que antes, por sí solas, no habían sido suficientes. Pero, además, lo inmovilizan y lo recubren. Para que haga menos daño. Son ayudantes de la inmunidad innata pero ambién son más que eso. Son perros de presa, que olfatean la presa y llevan al cazador hasta ella. Pero también muerden.

Otro día te daré detalles de las regiones variables e hipervariables, que son interesantísimas.

Pero hoy, quédate con cómo los anticuerpos neutralizan al virus de la gripe. E imagina disponer de esos anticuerpos para enfrentar esa enfermedad que, un día u otro, se volverá muy, muy peligrosa…

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

¿Que qué es quimiósmosis? Quimiósmosis eres tú…

Fotosíntesis y respiración hacen lo contrario desde el punto de vista metabólico. La una introduce energía en moléculas inorgánicas (oxidadas) para convertirlas en orgánicas reducidas. La otra hace exactamente lo opuesto.

Pero…

Pero ambas usan la misma herramienta. La quimiósmosis. Es decir, bombear moléculas (protones) a un compartimento desde otro compartimento. Ambos separados entre sí. Y luego aprovechar que las diferencias de carga y concentración hacen que esos protones quieran volver al compartimento del que salieron. Para ponerles una puerta de entrada (ATPasa) que convierte ese paso en energía mecánica (la ATPasa gira sobre sí misma al pasar los H+ a su través). Y la energía mecánica en energía química (la rotación de la ATPasa provoca que el ADP se una a un Pi para formar ATP).

En otras palabras. Un potencial de membrana se convierte en energía química.

Ya está. Ese es el secreto de la vida. Ni más ni menos.

Otra cosa es cómo convencemos a los protones para que pasen del compartimento inicial al quimiosmótico. Cómo lograr acumular esa fuerza protonmotriz que es la suma de las energías producidas por las diferencias de concentración y de carga entre ambos compartimentos. Eso se obtiene mediante intermediarios energéticos. Moléculas que portan electrones que han recibido de otras moléculas anteriormente, y que pueden pasar a otras moléculas posteriormente. Una cadena de transporte electrónico, vaya. Hecha de moléculas que pueden existir en dos formas, la oxidada y la reducida. Y por eso pueden tanto aceptar electrones como cederlos. Más adelante te hablaré de ella con detalle…

Falta ponerle nombre a los espacios quimiosmóticos. En la mitocondria es el espacio intermembranal. En el cloroplasto es el tilacoide. Ambos son compartimentos sellados. Tienen que serlo. De ellos no pueden escapar los protones bombeados salvo por la ATPasa. En esos lugares reside la capacidad de la vida de mantenerse en desequilibrio. O sea, de ser vida.

Espacio intermembranal
Tomado de Wikipedia
Tilacoide
Tomado de Milagros Medina

¿Que si es importante el espacio intermembranal de la mitocondria? Pues un humano típico tiene como unos 14.000 m2… Busca tú a qué equivale eso…

Y en esos lugares reside, también, la muerte y el envejecimiento. Porque cuando los compartimentos dejan de estar sellados, y los protones escapan de ellos sin hacer su función, pasar por la ATPasa, no solo creo menos energía. También produzco H2O2, un potente oxidante. Que me mata. Poco a poco. Vivir y envejecer residen en el mismo lugar. En los mismos 14.000 m2.

Envejecimiento mitocondrial
Tomado de Ciencia y Salud

Metabolismo (algo) abstracto

¿Que qué es el metabolismo? Todas las reacciones químicas que tienen lugar en el interior de una célula, sí; pero solo las catalizadas (es decir, buscadas, elegidas). Hay más reacciones químicas, claro que sí. Algunas espontáneas, otras inducidas por la existencia de algún factor en el medio. Pero no forman parte del metabolismo si no están catalizadas. Y conectadas entre sí, organizadas en un entramado de moléculas que son productos de una reacción y reactivos de la siguiente.

Rutas metabólicas
Tomado de KEGG Pathway

El metabolismo busca dos objetivos: exprimir la energía almacenada en moléculas, en sus enlaces y en sus electrones disponibles, para reducir a otras moléculas; y construir moléculas nuevas, propias, a partir de las que se tomen del medio. Parecen objetivos contrapuestos. Arruinar una estructura química y edificar otra. No son contrapuestos, no. Son complementarios. Y me dan lo que necesito cuando lo necesito. Energía y materia. Convirtiendo la una en la otra.

En una bacteria típica pueden estar sucediendo unas 1.000 reacciones químicas habituales. Ese es su metabolismo. Y todas ellas suceden en el mismo compartimento. Pequeño, concentrado. Las 1.000 reacciones tienen que ser compatibles entre sí, porque las condiciones químicas y físicas son las mismas para todas ellas. Esa es la dificultad de las procariotas.

Célula eucariota Célula procariota
Tomado de Cell Biology Tomado de Cell Biology

En una célula eucariota suceden muchas más reacciones químicas. Tiene una variedad más amplia en su metabolismo. Lógico. Tiene compartimentos y puede aislar unas reacciones de otras, cambiando las condiciones de un lugar dentro de ella a otro lugar dentro de ella si están separados por membranas. Y, además, tiene mucho mayor volumen.

Pero toda esa diversidad de reacciones tiene denominadores comunes. Aunque haya muchas, no hay muchos tipos. Aunque haya muchas, no hay muchos objetivos. Aunque haya muchas, no hay muchas estrategias.

Podríamos considerar estos puntos como los comunes:

  1. Todos los procesos, de degradación o de síntesis, se dan paso a paso, evitando liberar o introducir la energía de golpe.
  2. Las reacciones se acoplan a la síntesis o hidrólisis del ATP (habitualmente), que actúa como intermediario de energía. Aportándola para las reacciones que la precise, tomándola de las reacciones que la liberen. Por tanto, muchas de las reacciones del metabolismo se acoplan a ATP <-> ADP + Pi
  3. En las rutas metabólicas todo producto (salvo los residuos) es reactivo de otra reacción.
  4. Toda ruta metabólica comparte alguno de sus componentes con otra, por lo que todas están interrelacionadas.
  5. Hay una alta regulación de las rutas metabólicas, lo cual justifica el decir que la biología se basa en una química elegida.
  6. Cualquier reacción metabólica, cualquiera, es termodinámicamente favorable. Puede que alguna  no lo sea pero, entonces, se tiene que acoplar con otra que sí lo sea, y que lo sea de sobra. Y así el conjunto de ambas sí que cumple la condición. Que es ineludible.

La obtención de energía es un objetivo ineludible para todo ser vivo, dado que es un sistema que se mantiene lejos del equilibrio. A él dedica toda una serie de reacciones químicas encadenadas (rutas metabólicas). Que, agrupadas, reciben el nombre de catabolismo. Para lograr ese objetivo de conseguir energía, cualquier ser vivo sigue alguna de estas dos grandes estrategias (ocasionalmente, en algunos casos, ambas): la litótrofa (foto o quimio) y la organótrofa (foto o quimio). En la primera, se introduce energía en moléculas inorgánicas que se capten del medio; dicha introducción puede ser mediante energía luminosa o energía química contenida en moléculas del medio. En la segunda la energía procede de moléculas ya orgánicas, ya creadas por otro ser vivo, que se captan.

Y estos como los objetivos de la obtención de energía:

  1. Ejecución de movimientos gracias a la existencia de proteínas contráctiles.
  2. Intercambio de iones a través de las membranas y mantenimiento de gradientes
  3. Síntesis de biomoléculas a partir de sus precursores y de polímeros a partir de sus monómeros.

Al tercero de esos objetivo se le llama anabolismo. Que es otro conjunto de reacciones químicas, pero destinadas a construir biomoléculas a partir de la energía antes extraída. Aunque la separación entre catabolismo y anabolismo no es exhaustiva. Muchas rutas son reversibles en todo o en parte. Y funcionan tanto oxidando, y ordeñando la energía, como reduciendo, e incorporándola. A esas rutas que funcionan en ambas direcciones se las llama anfibólicas.

¿Te parece complejo, abstracto, complicado? Eso es porque no puede ser más sencillo. Mejor dicho. Porque tú no puedes ser más sencillo. Sin dejar de ser tú, sin dejar de vivir. Y es que todas esas reacciones están pasando ahora mismo en tu cuerpo. Y vienen pasando desde que naciste. No, no… Desde antes. Desde que fuiste una célula, un cigoto. Y seguirán pasando. Hasta que mueras. Incluso algunas reacciones químicas de algunas células se mantendrán un tiempo después de que tú mueras. Y, si dejas descendencia, si tienes hijos e hijas, tus óvulos o tus espermatozoides les habrán legado todo ese entramado de reacciones químicas.