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Chaperoninas: plegamiento mediante aislamiento

Las chaperoninas utilizan su estructura para ayudar en el plegamiento de muchas proteínas mediante un mecanismo muy general pero poco eficiente, que se basa en el aislamiento de la proteína a plegar. En los organismos eucariotas esta arquitectura ha generado la chaperonina CCT, que pliega eficientemente un reducido número de proteínas.

Aunque es conocido desde los trabajos seminales de Anfinsen que las proteínas almacenan en su propia secuencia aminoacídica la información con la que adquirir su conformación final, también es cierto que en muchas ocasiones no les es posible adquirir tal conformación por sí solas, rodeadas como están en la célula por una concentración tan alta de solutos (1). Para resolver este problema, la naturaleza ha diseñado un tipo de proteínas que se encargan de ayudar a todas las demás a adquirir esa conformación nativa, son las denominadas chaperonas moleculares. Éstas forman un grupo muy variado en cuanto a su tamaño y estructura, una gran parte de ellas actúa mediante un mecanismo similar, que consiste en ofrecer a la proteína desnaturalizada una superficie con la que interaccionar adecuadamente, librándola de otro tipo de interacciones contraproducentes.

Uno de los ejemplos más evidentes de este mecanismo es el de las chaperoninas o proteínas de choque térmico de 60 kDa (Hsp60) (2). Estas chaperonas se encuentran en todos los organismos, y en realidad son mucho mayores, pues son grandes oligómeros compuestos por subunidades de esa masa molecular que forman siempre la misma estructura, un doble anillo dispuesto espalda contra espalda (Figura). La unidad funcional de las chaperoninas es sin embargo el anillo, compuesto por 7-9 subunidades (dependiendo del tipo de chaperonina) y su funcionamiento es a grandes rasgos común para todas ellas, con una conformación en la que la cavidad del anillo está abierta, lista para reconocer la proteína desnaturalizada y unirse a ella, y otra conformación en la que la cavidad se cierra y libera la proteína en su interior, donde libre de otras interacciones puede adquirir su conformación nativa utilizando la información codificada en su secuencia (2). El cierre de la cavidad se produce a la vez en todas las subunidades por la unión e hidrólisis de ATP. Aunque la unidad funcional sea el anillo, la presencia de dos unidos entre sí se explica porque el funcionamiento de cada anillo está controlado por el otro, como en un motor de dos cilindros en el que la explosión en uno de ellos empuja a la compresión en el otro, y viceversa.

Las chaperoninas se clasifican en dos grupos, las de tipo I que se encuentran en las eubacterias y en organelos endosimbiontes, y las de tipo II que se localizan en las arqueobacterias y en el citosol de eucariotas (2,3). Las de tipo II son más complejas que las de tipo I, pero todas ellas funcionan como chaperonas generales, capaces de plegar casi cualquier proteína desnaturalizada en cualquier conformación, mediante interacciones hidrófobas entre los residuos de las proteínas desnaturalizadas y los que se encuentran en la entrada de la cavidad de la chaperonina (2).

¿Todas las chaperoninas funcionan, pues, de la misma manera? Todas no. Una de ellas, denominada CCT (Chaperonin Containing TCP-1 protein), que se encuentra en el citosol de los organismos eucariotas, aunque utiliza la misma arquitectura que las demás chaperoninas, ha evolucionado para realizar una función más compleja (4,5). Para empezar, CCT está compuesta por ocho subunidades diferentes, lo que sugiere una cierta especialización y ciertamente es así, pues se ha especializado en el plegamiento de un grupo de proteínas, entre las que destacan la actina y la tubulina. Estas dos proteínas forman parte del citoesqueleto de las células eucariotas y se ha sugerido que su aparición está en el origen de este tipo de organismos, y de que hayan adquirido una serie de propiedades (motilidad, fagocitosis, división, etc.) que les hacen diferentes de las eubacterias o arqueobacterias. Se ha propuesto que CCT evolucionó de una chaperonina primitiva para lidiar con los problemas de plegamiento asociados con actina y tubulina. Sea como fuere, lo cierto es que estas dos proteínas requieren la acción de CCT para poder plegarse, y el mecanismo que utiliza esta chaperonina para plegar éstas y otras proteínas también es distinto. A diferencia del resto de chaperoninas, CCT reconoce secuencias específicas de sus proteínas sustrato que tienen una cierta conformación, y lo hace mediante subunidades específicas. Una vez unida a CCT, los cambios conformacionales que se producen en la chaperonina inducen el plegamiento de la proteína sustrato sin que se produzca su liberación en la cavidad. También se diferencia en que los cambios conformacionales que se inducen en las distintas subunidades durante el cierre del anillo no se producen al unísono, propiedad probablemente muy importante para el correcto plegamiento de sus sustratos. Finalmente, muchas de esas proteínas sustrato son presentadas a CCT por otras chaperonas con las que llega a formar un complejo estable, que hace que el plegamiento de los sustratos sea mucho más eficiente. Todas estas diferencias sugieren que la naturaleza ha utilizado la arquitectura general de las chaperoninas, que realizan una función muy general aunque de una manera poco eficiente, para producir CCT, una chaperonina que hace una labor muy específica y muy eficiente, a veces con la colaboración de otras chaperonas.

Esquema de la estructura y funcionamiento de las chaperoninas.
Referencias:
  1. Mogk, A., Bukau, B. y Deuerling, E. Cellular functions of cytosolic E. coli chaperones. in Molecular Chaperones in the Cell. (ed. Lund, P.) 1-34 (Oxford Univ. Press, Oxford, 2001).
  2. Gómez-Puertas, P., Martín-Benito, J., Carrascosa, J.L., Willison, K.R. y Valpuesta, J.M. (2004). The substrate recognition mechanisms in chaperonins. J. Mol. Recog. 17, 85-94.3.
  3. Gutsche, I., Essen, L.O., y Baumeister, W. (1999). Group II chaperonins: new TRIC(k)s and turns of a protein folding machine. J. Mol. Biol. 293, 295-312.
  4. Valpuesta, J.M., Martín-Benito, J., Gómez-Puertas, P., Carrascosa, J.L. y Willison, K.R. (2002). Structure and function of a protein folding machine: the eukaryotic cytosolic chaperonin CCT. FEBS letters 529, 11-16.
  5. Valpuesta, J.M., Carrascosa, J.L. y Willison, K.R. Structure and function of the cytosolic chaperonin CCT. in Protein Folding Handbook (eds. Buchner, J. & Kiefhaber, T.) 725-755 (Wiley-VCH, Weinheim, 2005).

Entrevista a José María Valpuesta

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Me da un poco de pudor hablar de algo así, pues no sé si poseo lo que algunos llaman vocación, pero sí sé que lo que hago me gusta y que me divierte casi siempre. En cualquier caso, sí que comencé a trabajar en un laboratorio bastante pronto, cuando estaba realizando el 2º curso de Ciencias Biológicas, y sí que tenía claro que quería dedicarme a la investigación desde el momento en que «probé» el laboratorio.  

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

R.- Creo que debe ser una persona con bastante predisposición para trabajar en equipo, con ideas firmes, pero abierto a escuchar a los demás. 

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- Mi línea de trabajo fundamental se enfoca al estudio de las llamadas chaperonas moleculares, un grupo grande y variopinto de proteínas cuya principal función es la de ayudar a que otras alcancen su conformación nativa y funcional. Esta función la realizan de muchas maneras distintas, y muchas veces en colaboración entre distintos tipos de chaperonas. Pero además, las chaperonas no sólo están involucradas en el correcto plegamiento de las proteínas, sino en el proceso contrario, en el de su degradación cuando a veces no son requeridas por el organismo. Siendo el plegamiento de las proteínas un proceso fundamental que antecede a cualquier otro que tiene lugar en la célula, considero que el conocimiento de cómo funcionan este grupo de proteínas es realmente de gran importancia en la comprensión de los procesos vitales. 

P.- ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado?

R.- Sin duda alguna, la determinación de la estructura del ADN. Me impresionó la forma en que se llegó a ello, mediante la utilización no sólo de resultados experimentales, sino también del modelado de las moléculas que lo componen usando lo que se conocía de ellas desde el punto de vista químico y bioquímico. El modelo es hermoso pero sobre todo tuvo que parecerles muy hermoso a sus autores, Watson y Crick, que además daba claras pistas sobre dos propiedades asociadas al material genético, estabilidad y transmisión.

P.- ¿Cuál es su opinión sobre cómo está articulada la carrera científica en España?

R.- Mi opinión no es distinta a las de muchos otros investigadores: nuestro sistema adolece de falta de flexibilidad y está demasiado supeditado a la escala funcionarial. Creo que no sólo debiera haber más puestos de investigadores (y más centros de investigación, muchos de los actuales están saturados) sino que esos puestos no debieran ser permanentes y estar sujetos a revisiones periódicas que fomentasen aun más la competencia y el trabajo. 

P.- ¿Qué camino queda por recorrer en Ciencia e Innovación en nuestro país?

R-. Un camino muy grande, especialmente en lo que tiene relación con la innovación. A pesar de sus problemas, la ciencia española ha crecido mucho en los últimos años, pero ese crecimiento no ha ido en paralelo con el desarrollo de la innovación. Esto es un problema fundamental que afecta a nuestra industria, pero en el que la investigación pública tiene mucho que decir, especialmente en lo que tiene que ver con la mentalidad de nuestros investigadores, que tienen que ser más conscientes de que algunos de sus descubrimientos pueden ser utilizados por la industria.

Perfil de José María Valpuesta

José María Valpuesta (Zamora, 1959) se licenció en Ciencias Biológicas por la Universidad del País Vasco, donde también realizó su tesis doctoral (1985), bajo la dirección de los Dres. Félix Goñi y José Luis Rodríguez Arrondo, en el campo de las proteínas de membrana. Realizó posteriormente una estancia postdoctoral en el Laboratory of Molecular Biology (Cambridge) que le permitió introducirse en el campo de la criomicroscopía electrónica como herramienta de análisis estructural, técnica que introdujo en España, en el Centro Nacional de Biotecnología, donde es Profesor de Investigación y actualmente su Director. Mantiene su interés en el campo de la Biología Estructural, fundamentalmente en la caracterización estructural de complejos macromoleculares, y en particular en el de las chaperonas moleculares. Ha sido Presidente de la Sociedad de Microscopía de España y Premio FEI de la Sociedad Europea de Microscopía (2004).