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Calpaína y sus inhibidores

La calpaína es una proteasa con cisteína con un papel metabólico muy activo. Es una proteasa única, necesitando Ca2+ para su activación. Nuestro grupo ha preparado inhibidores muy potentes y selectivos de esta enzima.

Las proteasas o peptidasas catalizan la ruptura (hidrólisis) de enlaces peptídicos. Se han clasificado en cinco clases principales basadas en su mecanismo de catálisis: serine, threonine, cysteine, aspartate, y metalo proteasas. Las reacciones proteolíticas son fundamentales en numerosos procesos biológicos y, por lo tanto, necesitan una regulación estricta. Algunos de los procesos en los que la actividad de proteasa es importante para la homeostasis son el crecimiento celular, la muerte celular, la coagulación de la sangre, remodelación celular, activación del sistema inmune. Además, los microorganismos usan sus proteasas para su ciclo vital y para infectar al organismo huésped. Por lo tanto, las proteasas son importantes objetivos para el diseño de fármacos para el tratamiento de numerosas enfermedades.

Las calpaínas, o proteasas neutras activadas por calcio, son una familia de proteasas con un papel metabólico muy activo. Aunque su sustrato natural no está claramente determinado, estas enzimas catalizan la hidrólisis de una variedad de proteínas implicadas en la transducción de señales, en la reconstrucción del citoesqueleto, en la regulación del ciclo celular y en la apoptosis. En mamíferos, la familia de calpaínas comprende diversas isoformas específicas de tejido y dos isoenzimas ubicuas: la µ-calpaína (o calpaína-1, CAPN1) y la m-calpaína (o CAPN2), que requieren cantidades micromolares y milimolares, respectivamente, de Ca2+ para su activación. Estudios estructurales por difracción de rayos X han mostrado que cada isoforma está compuesta por una subunidad grande (~ 80 kDa), que presenta un dominio de proteasa con cisteína del tipo de la papaína, y una subunidad pequeña (~ 30 kDa), que es común a cada isoenzima. Los extremos C-terminales de cada subunidad tienen dominios capaces de unirse a Ca2+ (dominio tipo calmodulina).

La sobreactivación de las calpaínas (lo que puede ocurrir al aumentar la concentración intracelular de Ca2+) está implicada en numerosas enfermedades, tales como las isquemias cerebral y cardiaca, Alzheimer, Parkinson, distrofia muscular, cataratas, enfermedades desmielinizantes (como la esclerosis múltiple) y otras enfermedades degenerativas. Por otro lado, la calpaína está latente en las células en reposo (es decir, con niveles de Ca2+ «normales»). Por ello, la inhibición de calpaína se presenta como un tratamiento adecuado en enfermedades neurodegenerativas. Además hay que destacar que los inhibidores potentes y selectivos de calpaína pueden ser muy útiles como herramientas de trabajo para estudiar el mecanismo de acción de esta proteasa, así como su papel en ciertos procesos fisiológicos. Por otro lado, se ha descrito recientemente que isoenzimas minoritarias de calpaína, como CAPN5 y CAPN10, pueden tener papeles importantes en enfermedades relacionadas con el síndrome metabólico, como la diabetes y la hipertensión.

Se han descrito inhibidores reversibles e irreversibles de calpaína. Los rasgos estructurales más frecuentes de estos inhibidores es que son péptidos o peptidomiméticos con pocos aminoácidos (entre 2 y 6) hidrófobos y alguna funcionalidad electrófila, entre las que cabe mencionar compuestos 1,2-dicarbonílicos, aldehidos, α-cetofosfonatos, α-cetofosfinatos, α-halocetonas, epóxidos, etc. Aparentemente, estos compuestos actúan sobre el dominio tipo papaína de la calpaína, lo que se traduce en una selectividad relativamente baja, por lo que frecuentemente también son inhibidores de otras proteasas con cisteína (por ejemplo, papaína) e incluso de proteasas con serina (serine protease). En parte debido a estos inconvenientes, aún no se ha encontrado un inhibidor de calpaína con utilidad terapéutica.

La aportación de nuestro grupo al área de inhibidores de calpaína se resume en que hemos preparado y ensayado más de 500 inhibidores de calpaína, con diversas estructuras (biarilos, heterociclos, carbohidratos, péptidos, e híbridos péptido-molde relacionados). Muchos de estos compuestos son inhibidores en escala nanomolar y algunos en escala picomolar. Hay que destacar que algunos de nuestros inhibidores no son electrófilos, actuando posiblemente impidiendo la activación de calpaína por Ca2+, lo que les hace muy selectivos.

La investigación la planteamos en varias etapas. En primer lugar se sintetizan las moléculas objetivo, que se caracterizan estructuralmente por una variedad de técnicas espectroscópicas (RMN mono- y bi-dimensionales, espectrometría de masas, infrarrojo). Se intentan obtener monocristales para analizar por difracción de rayos-X. Los resultados cristalográficos sirven para confirmar la estructura y para identificar interacciones no covalentes (útiles para otros proyectos relacionados del grupo). Los compuestos sintetizados se prueban como inhibidores de calpaína.

A partir de los resultados de inhibición de calpaína, refinamos la estructura de las siguientes generaciones de inhibidores. De los compuestos más activos se hace modelización computacional exhaustiva, que incluye métodos basados en mecánica molecular (búsquedas conformacionales y simulaciones de dinámicas moleculares) y métodos químico-cuánticos, que permiten refinar la estructura y calcular propiedades moleculares (electrónicas, energéticas, electrostáticas, descriptores de reactividad e índices de aromaticidad). Finalmente, los resultados estructurales y de actividad biológica se relacionan a través de métodos SAR (relaciones estructura-actividad) que permiten racionalizar los resultados y contribuyen en el diseño de otros inhibidores. También hemos empezado a realizar estudios de docking entre los inhibidores más potentes y la enzima.

Puesto que la calpaína tiene un papel fisiológico muy amplio, también hemos ensayado nuestros inhibidores en otras actividades biológicas (neuroprotección, antimitóticos, antivirales, antimaláricos) con resultados satisfactorios.

Referencias:
  1. MEROPS-the Peptidase Database (http://merops.sanger.ac.uk/)
  2. D. E. Goll, V. F. Thompson. H. Li, W. Wei, J. Cong, Phys. Rev. 2003, 83, 731-801.
  3. A. T. Neffe, A. D. Abell, Curr. Op. Drug Discov. Devel. 2005, 8, 684-700.
  4. M. Zatz; A. Starling, New Engl. J. Med. 2005, 352, 2413-2423.
  5. R. Chicharro, M. Alonso, M. T. Mazo, V. J. Arán, B. Herradón, ChemMedChem. 2006, 1, 710-714.
  6. A. Montero, F. Albericio, M. Royo, B. Herradón, Org. Lett. 2004, 6, 4089-4092.
  7. http://www.iqog.csic.es/iqog/html/es/lineas/lineainvestigacion.jsp?li_id=4

Entrevista a Bernardo Herradón

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Por lo que recuerdo siempre quise ser químico, desde la primera vez que estudié química, cuando tenía 12-13 años. No fue por tener un profesor motivador, simplemente que debí apreciar algo de la química que la hizo muy atractiva. Luego no me he arrepentido, pues siempre me ha gustado mucho la creatividad de la química.

Ahora que soy más mayor, hay aspectos que también me atraen muchísimo, como son la filosofía de la química (pensar en los fundamentos de la ciencia), el desarrollo histórico de los conceptos químicos, y cómo transmitirla al público general y especialmente a los estudiantes de secundaria. Estas tres facetas hacen que prácticamente cada día mi vocación científica se renueve. 

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional? 

R.- Las razones para investigar han sido dos. Investigo en lo que me divierte y en lo que aprendo algo.
Esto ha hecho que mi investigación haya ido evolucionando. Cuando creía que ya había aprendido suficiente de un tema, lo abandonaba; empezando a investigar en otros aspectos. Tampoco han sido saltos bruscos en la investigación; sino que fue el resultado de una evolución.

Algunos temas en los que investigué en el pasado son: biocatálisis en síntesis orgánica; transformaciones usando infraestructuras quirales (carbohidratos, hidroxiácidos y aminoácidos); transposiciones sigmatrópicas (reacciones de Claisen y Overman); transformaciones selectivas promovidas por radiación microondas; desarrollo de columnas de inmunoafinidad para el aislamiento de contaminantes orgánico persistentes; y reacción de Wittig y aplicaciones sintéticas de los productos de olefinación.

En los últimos años mi investigación se ha ido desplazando desde la síntesis orgánica a la química orgánica física, especialmente en aspectos que relacionan la estructura con las propiedades. Los temas actuales de investigación en mi grupo son: toxicología computacional; síntesis de compuestos interesantes por sus propiedades (arenos, heterociclos, carbohidratos, carbociclos, péptidos, e híbridos péptido-molde); química orgánica física (estudios computacionales, cinéticas de equilibrios conformacionales, interacciones no covalentes, cristalografía); compuestos biológicamente activos (inhibidores de proteasas, antivirales y antimaláricos); y materiales híbridos orgánico-inorgánico nanoestructurados.

Nunca he querido ser el «super-especialista» en un tema restringido, sino que he preferido conocer un poco de muchos temas. Sé que esta «filosofía» investigadora no es la más adecuada para tener un CV con muchísimas publicaciones. Otra de las características de mi CV es que mis publicaciones son muy extensas, no fragmento resultados, no me gustan las comunicaciones preliminares incompletas, y creo que tengo algún record de publicaciones largas (describiendo muchos compuestos nuevos) en las revistas en las que he publicado. 

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- La humildad y la generosidad.

Aunque es muy importante que un científico trabaje y piense duramente, esté al día en la bibliografía en su tema de investigación, sea imaginativo, etc.; es decir, las «cualidades típicas» que todos asociamos a un científico; yo destaco las dos que he indicado antes.

¿Por qué? En primer lugar, los científicos de la naturaleza intentamos comprender lo más grande: el universo, sus leyes y comportamiento. Frente a este objetivo tan elevado, nosotros sólo podemos ser humildes.

Hay que ser generoso (especialmente los científicos de cierta edad como yo), pues me gusta pensar que estamos trabajando para hacer un mundo mejor para las próximas generaciones, empezando por nuestros estudiantes y colaboradores más jóvenes a los que también tenemos que transmitir estas cualidades.

P.- ¿Qué consejo daría a los que ahora inician su carrera científica?

R.- Que tengan ilusión en el trabajo que están realizando.

P.- ¿Cuál consideraría que ha sido el principal avance científico del siglo XX?

R.- El desarrollo de la mecánica cuántica (desde Planck a Born), con las implicaciones que tuvo en la física y la química al principio; posteriormente, en biología; y actualmente, en la ciencia de los materiales. Desde el punto de vista de un químico, dentro de los avances de la mecánica cuántica, destaco la explicación del efecto fotoeléctrico por Einstein y la ecuación de ondas de Schrödinger. 

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España? ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R-. Si hay que definir la carrera científica en España con una palabra, sería «incertidumbre».
¿Cuáles son las características de la ciencia en España? Falta de tradición, mucha improvisación, e inseguridad presupuestaria.

Mientras no cambien estas malas costumbres, no tendremos ciencia de calidad. A pesar de estas deficiencias estructurales, el nivel científico de la ciencia española es medio-alto; pero nos falta impacto a nivel mundial. Nos faltan los grandes investigadores y grupos que sean líderes mundiales en su especialidad. Nos falta transferir conocimiento a la sociedad a través de la participación de empresas en proyectos innovadores.

La ciencia española adolece de una preocupante falta de investigadores. La ciencia puntera mundial sale de una gran masa crítica de investigadores de nivel medio-alto.

Habría que aumentar el número de científicos españoles en varias decenas de miles. La mayoría de ellos deberían ser contratados por empresas innovadoras (otra necesidad del sistema científico español). Para llegar a esta situación nos faltan varias generaciones, pero tenemos que ir avanzando. Lo que está pasando en estos dos últimos años, con las rebajas presupuestarias, es muy preocupante pues está suponiendo un parón, especialmente en las perspectivas de los investigadores jóvenes.

¿Cómo alcanzamos ese suficiente número de investigadores? Con inversión seria y continuada en ciencia. Debemos motivar a los licenciados a hacer una tesis doctoral. Debe aumentar el número de becas predoctorales. Luego tiene que haber suficiente inversión en ciencia para que los jóvenes se den cuenta de que hay perspectivas de futuro.

Perfil de Bernardo Herradón

Bernardo Herradón es Investigador Científico en el IQOG-CSIC, dónde ha sido director (2006-2010). Se licenció (1980) y doctoró (1986) por la Universidad Complutense de Madrid.

Ha investigado en la Universidad de Alcalá, ETH-Zurich y Stanford University. Su investigación ha evolucionado desde metodología sintética y síntesis de productos naturales hasta el estudio de la estructura y propiedades de compuestos útiles biológicamente o tecnológicamente. Es autor de unas 75 publicaciones científicas originales y 5 patentes, algunas extendidas a Europa, USA, Japón y China. Ha sido investigador principal en 15 proyectos de convocatorias públicas y ha liderado 10 proyectos con empresas.

Entre sus objetivos está la difusión de la Cultura Científica, participando activamente en ferias científicas, visitas guiadas, mesas redondas, charlas y cursos de divulgación. Es el comisario científico de la exposición «Entre Moléculas» y director del curso de divulgación «Los Avances de la Química y su Impacto en la Sociedad».

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