miércoles, 10 de octubre de 2012

Premio Nobel de Química 2012 por estudios con proteínas receptoras

Células y sensibilidad


En nuestros ojos, narices y bocas, tenemos sensores de luz, olores y sabores. Dentro de las células del cuerpo, tienen sensores similares para hormonas y sustancias de señalización, tales como la adrenalina, la serotonina, la histamina y la dopamina. Conforme evolucionó la vida, las células han utilizado en varias ocasiones el mismo mecanismo básico para la lectura de su ambiente: G-receptores acoplados a proteínas. Pero tal mecanismo se mantuvo oculto a los investigadores durante mucho tiempo.

Has estado trabajando demasiado tarde. La luna ilumina el cielo a medida que caminas a casa desde la aislada parada de autobús. De repente, se oyen pasos detrás de ti. Se acercan rápidamente. "No hay nada de qué preocuparse", tratas de explicarte, "es sólo un empleado que tuvo un día duro en el trabajo." Pero un sentimiento espeluznante se afianza. Alguien está realmente detrás de usted... Usted quiere huir hacia su casa. Al abrir la puerta del frente, todo su cuerpo tiembla, su corazón late a un ritmo poco común y le falta el aliento.
¡Es hora de huir! Las señales nerviosas y las hormonas del cerebro alertan al cuerpo. La glándula suprarrenal libera hormonas de estrés en el torrente sanguíneo. Las células de todo el cuerpo tienen la sensación de que algo está sucediendo a través de sus receptores.

En el mismo momento en que el ojo registra que la silueta se acerca, su cuerpo cambia a otro modo. Las señales nerviosas del cerebro envía una advertencia inicial al cuerpo. La glándula pituitaria libera hormonas en el torrente sanguíneo que despierta la glándula suprarrenal. Comienza a bombear cortisol, adrenalina y noradrenalina que emite una segunda advertencia: ¡es el momento de huir! Grasa, células de músculo, hígado, corazón, pulmones y vasos sanguíneos reaccionan inmediatamente. El azúcar y grasa viaja por la sangre, se amplían los bronquios y aumenta el ritmo cardíaco -todo para que sus músculos puedan obtener más energía y oxígeno-. El objetivo es hacer que se ejecute lo más rápido posible para salvar su vida.

En un ser humano, decenas de miles de millones de células interactúan. La mayoría de ellos han desarrollado distintas funciones. Algunos almacenan grasa, mientras que otras registrar impresiones visuales, producen hormonas o constituyen el tejido muscular. Para poder funcionar, es fundamental que nuestras células funcionen al unísono, que pueden percibir su entorno y saber lo que está pasando a su alrededor. Para ello, se necesitan sensores.

Los sensores en la superficie celular se denominan receptores. Robert J. Lefkowitz y Brian K. Kobilkaare recibieron el Premio Nobel de Química por haber mapeado toda una familia de receptores llamados receptores acoplados a G-proteínas (GPCRs). En esta familia, encontramos receptores de adrenalina (también conocidos como epinefrina), dopamina, serotonina, luz, sabor y olor. La mayoría de los procesos fisiológicos dependen de GPCRs. Alrededor de la mitad de todos los medicamentos que actúan a través de estos receptores, entre ellos, los bloqueadores beta,antihistamínicos y varios tipos de medicamentos psiquiátricos.

El conocimiento de los GPCR, ofrece grandes beneficios a la humanidad. Sin embargo, estos receptores han eludido a los científicos desde hace mucho tiempo.

El receptor - un enigma difícil de alcanzar


Al finales del siglo 19, cuando los científicos empezaron a experimentar con los efectos de la adrenalina sobre el cuerpo, descubrieron que modificaba el ritmo cardíaco y la presión sanguínea además de relajar. Debido a que sospechaban que adrenalina trabajaba a través de los nervios en el cuerpo, se paralizó el sistema nervioso de animales en laboratorio. Sin embargo, el efecto de la adrenalina todavía se manifestaba. La conclusión fue: las células deben tener algún tipo de receptor que les permite detectar las sustancias químicas -hormonas, venenos y drogas- en su entorno.

Pero cuando los investigadores trataron de encontrar estos receptores, se encontraron ante un obstáculo. Querían entender como funcionaban los receptores y cómo transmiten las señales a la célula. La adrenalina se administra al exterior de la célula, lo que conducía a cambios en su metabolismo que se podían medir dentro de la célula. Cada célula tiene una pared: una membrana de moléculas de grasa que la separa de su entorno. ¿Cómo es que la señal pasa a través de la pared? ¿Cómo podría el interior de la célula saber lo que estaba pasando en el exterior? Los receptores permanecieron sin identificar por décadas. A pesar de esto, los científicos lograron desarrollar fármacos específicos que tenían su efecto a través de uno de estos receptores. En la década de 1940, el científico estadounidense Raymond Ahlquist examinó cómo los diferentes órganos reaccionan a diversas sustancias similares a la adrenalina. Su trabajo lo llevó a concluir que debe haber dos tipos diferentes de receptores de adrenalina: uno que en un primer momento hace que las células del músculo liso en los vasos de sangre se contraigan y otro que estimule principalmente el corazón. Los llamó receptores alpha y beta. Poco después de esto, los científicos desarrollaron bloqueadores beta en primer lugar, que actualmente se encuentran algunos de nuestros medicamentos para el corazón más utilizados.

Estos fármacos, sin duda, produce efectos en las células, pero la forma en que lo hacían seguía siendo un misterio.

Ahora sabemos por qué los receptores son tan difíciles de encontrar: son relativamente pocos en números y también están en su mayoría encapsulados dentro de la pared de la célula. Después de un par de décadas, Ahlquist incluso comenzó a sentirse perdido en su teoría sobre los dos receptores distintos. Escribió: "Para mí son un concepto abstracto concebido para explicar las respuestas observadas de los tejidos producidos por los productos químicos de diversas estructuras."

Es aquí, al final de la década de 1960 que Robert Lefkowitz, uno de los premios Nobel de este año, entra en la historia de estos receptores.

Atraer a los receptores de sus escondites


El mejor estudiante tenía en su mente en convertirse en un cardiólogo. Sin embargo, se gradúa en medio de la guerra de Vietnam, y hace su servicio militar en el Servicio de Salud Pública de los EE.UU. en una Institución Federal de Investigación, el Instituto Nacional de Salud. Allí se presenta con una gran desafío: encontrar a los receptores.

Supervisor de Lefkowitz ya tiene un plan. Propone fijar yodo radiactivo a una hormona. Entonces, cuando la hormona se une a la superficie de una célula, la radiación del yodo debía hacer posible realizar el seguimiento del receptor. Además, con el fin de reforzar su caso, Lefkowitz tendría que mostrar que el acoplamiento de la hormona al exterior de la célula realmente desencadena un proceso conocido que tiene lugar en el interior de la célula. Si pudiera tener éxito en esto, nadie podría dudar de que en realidad se había descubierto un receptor biológicamente en funcionamiento.

Lefkowitz comenzó a trabajar con la hormona adrenocorticotrópica, que estimula la producción de adrenalina en la glándula suprarrenal. Pero nada parecía funcionar. Pasado un año, y sin avances, Lefkowitz, que realmente ya no estaba tan entusiasta en hacer la investigación, en primer lugar, comienza a desesperarse. Él continuaba su investigación, pero soñaba con ser médico.

A medida que el proyecto entro en su segundo año, Lefkowitz finalmente hace algunos progresos. En 1970, publica artículos en dos revistas de prestigio Proceedings, de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) y Science, en donde describe el descubrimiento de un receptor activo. El logro le hace apreciar la emoción de
hacer la investigación, y, finalmente, es reclutado por la Universidad de Duke en Carolina del Norte. No es que él este particularmente interesado en mudarse allí, pero le hacen una oferta que no puede rechazar.

En los nuevos laboratorios, Lefkowitz forma su propio equipo de investigación. A pesar de que parece que nunca lo haría se convirtió en un cardiólogo. Así, comienza a estudiar receptores de adrenalina y noradrenalina, los llamados receptores adrenérgicos. El uso de sustancias radiactivas, incluyendo bloqueadores beta, permite a su grupo de investigación estudiar cómo estos receptores funcionan. Y después de un ajuste en sus herramientas, manejan con gran habilidad para extraer una serie de receptores de los tejidos biológicos.

Mientras tanto, el conocimiento de lo que sucede en el interior de las células seguía creciendo. Los investigadores han encontrado lo que ellos llaman las proteínas G (Premio Nobel de Fisiología y Medicina 1994), que son activados por una señal desde el receptor. La proteína G, a su vez, desencadena una serie de reacciones que altera el metabolismo de la célula. A principios de la década de 1980, los científicos estaban empezando a obtener una comprensión del proceso por el cual se transmiten señales desde el exterior de la célula a su interior

El gen, una clave para nuevos conocimientos


En la década de 1980, Lefkowitz decide que su grupo de investigación debe tratar de encontrar el gen que codifica el receptor beta. Esta decisión demostraría ser crucial para el Premio Nobel de este año. Un gen es similar a un plano. Contiene un código que es leído por la célula cuando se une a los aminoácidos para crear una proteína, por ejemplo, un receptor. La idea era que si el grupo de investigación podía aislar el gen y leer el anteproyecto para el receptor beta, podrían obtener pistas sobre cómo funciona el receptor.

Casi al mismo tiempo, Lefkowitz contrata a un joven doctor, Brian Kobilka. Su fascinación por receptores adrenérgico nació de su experiencia en cuidados intensivos del hospital. Una inyección de epinefrina podía ser la
diferencia entre la vida y la muerte. La hormona abre el sistema respiratorio hinchado y acelera la frecuencia cardíaca. Kobilka quería estudiar el poder de la adrenalina en su más mínimo detalle molecular, así que se acercó a Lefkowitz y su equipo de investigadores.

Kobilka se dedicó a la caza del gen. Sin embargo, durante la década de 1980, tratando de encontrar un gen particular en el enorme genoma del cuerpo, similar un poco a tratar de encontrar una aguja en un pajar, el desafío técnico lo hizo un proyectos con lentos avances. Sin embargo, Kobilka tenía una idea ingeniosa que hacía sea posible aislar el gen. Con gran anticipación, los investigadores comienzan a analizar su código, revelando que el receptor consta de siete cuerdas espiral largas -llamadas hélices- y de ácidos grasos (hidrófobo). Esto le dice a
los científicos que el receptor probablemente se abre paso hacia atrás y adelante a través de la pared celular siete veces.
Ilustración de cristal de Kobilka, con su estructura β-adrenérgico activada
(azul). Una hormona (naranja) se acopla a la parte exterior y una proteína G-(rojo) se acopla en el interior.

Siete veces. Este fue el mismo número de cadenas y misma forma que ya se había encontrado en un receptor diferente en otras partes del cuerpo: el receptor rodopsina de luz en la retina del ojo. Surgió entonces una idea: estos dos receptores podrían estar relacionados, aunque tengan funciones completamente diferentes.

Robert Lefkowitz más tarde describió como un "verdadero momento eureka". Sabía que ambos receptores adrenérgicos y rodopsina interactuaban con las proteínas G en el interior de la célula. También sabían de unos 30 otros receptores que funcionaban a través de las proteínas G. La conclusión: tiene que haber una completa familia de receptores que se parecen y comparten una función de la misma manera.

Desde este descubrimiento revolucionario, el rompecabezas se ha reunido poco a poco, y ahora los científicos tienen conocimiento detallado acerca de GPCRs -cómo funcionan y cómo se regulan a nivel molecular-. Lefkowitz y Kobilka han estado a la vanguardia de este viaje científico completo, y el año pasado, en 2011, Kobilka y su equipo de investigadores reportó un hallazgo que puso la corona sobre su trabajo.

Imaginando los efectos de la adrenalina


Tras superar con éxito con el aislamiento del gen, Brian Kobilka se traslado a Stanford University School of Medicine en California. Allí se propuso crear una imagen del receptor -una meta inalcanzable en la opinión de la mayoría de la comunidad científica- y para Kobilka, el inicio de un largo viaje.

La formación de imágenes de una proteína es un proceso que implica muchos pasos complicados. Las proteínas son demasiado pequeñas para ser distinguidos
en los microscopios regulares. Por lo tanto, los científicos utilizan un método llamado cristalografía de rayos X. Comienzan con la producción de un cristal, en donde las proteínas están muy juntos en un patrón simétrico, como las moléculas de agua envasadas en un cristal de hielo o carbono en un diamante. Los investigadores luego disparan rayos X a través de la proteína cristal. Cuando los rayos de golpean las proteínas, se dispersan. En el patrón de difracción de esto, los científicos pueden decir que las proteínas parecen a nivel atómico.

La primera imagen de la estructura cristalina de una proteína se produjo en la década de 1950. Desde entonces, los científicos han logrado radiografías y fotografiado miles de proteínas. Sin embargo, la mayoría de ellas son solubles en agua, el cual facilita el proceso de cristalización. Pocos investigadores han logrado proteínas de imágenes ubicadas en la membrana grasa de la célula. En el agua, tales proteínas se disuelven poco como el aceite, y son propensas a formar grumos grasos. Por otra parte, GPCRs son por naturaleza muy móvil (transmiten señales por movimiento), pero dentro de un cristal tienen que permanecer casi completamente inmóvil. Lograr que cristalizan es un desafío considerable.

Tomó Kobilka más de dos décadas para encontrar una solución a todos estos problemas. Pero gracias a la determinación, creatividad y destreza de la mano de la biología molecular, Kobilka y su grupo de investigación, finalmente lograron su objetivo final en el año 2011: obtener una imagen del receptor en el momento mismo en que se transfiere la señal de la hormona en el exterior de la célula a la proteína G en el interior de la célula.

La imagen, publicada en la revista Nature, revela nuevos detalles sobre los GPCR, por ejemplo, cuál es el receptor activo visto cuando se abre un vacío donde la proteína G le gusta atar (figura 4). Tal conocimiento será muy útil en el futuro para el desarrollo de nuevos fármacos.

La vida necesita flexibilidad


El mapeo del genoma humano ha revelado cerca de mil genes que codifican para GPCRs.
Aproximadamente la mitad de los receptores reciben los olores y son parte del sistema olfativo. Un tercio de ellos son receptores para hormonas y sustancias de señalización, tales como dopamina, serotonina, prostaglandina, glucagón e histamina. Algunos receptores de capturar la luz que incide en el ojo, mientras que otros se encuentran en la lengua y nos dan nuestro sentido del gusto. Más de cien receptores todavía presentan desafíos para los científicos, ya que sus efectos aún no se han resuelto.

Además de descubrir las variaciones de los receptores, los investigadores, como Lefkowitz y Kobilka, han encontrado que son multifuncionales; un único receptor puede reconocer diferentes hormonas en el exterior de la célula. Por otra parte, en el interior, no sólo interactúan con proteínas G, pero también, por ejemplo, con proteínas llamadas arrestenina. La comprensión de que estos receptores acoplados a proteínas G ha llevado a empezar a referir a ellos como receptores de siete transmembrana (7TM), después de las siete cuerdas en forma de espiral que serpentean a través de la pared celular.

El número de receptores y flexibilidad permiten la regulación ajustada de las células que la vida requieren. Déjenos volver a la escena en la parada del autobús. Cuando la sangre está llena de adrenalina, los diferentes tejidos reaccionar de diferentes maneras. El flujo de sangre a los órganos digestivos disminuye, mientras tanto, el flujo a los músculos aumenta. Los diferentes efectos de adrenalina dependen de la existencia de al menos nueve receptores diferentes para esta hormona en nuestro cuerpo. Algunos receptores incrementan la actividad de las células, mientras que otros tienen un efecto tranquilizante.

Así que, la próxima vez que ocurra un susto, saboree el sabor de una buena comida, o simplemente contemple las estrellas en el cielo, para ofrecer otro estímulo a los G-receptores acoplados a proteínas. Sin ellos, las células se esfuerzan por conflictos de objetivos, y el caos reinaría en su cuerpo.

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