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

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