Acércate a...

Lípidos que regulan su propio metabolismo (y el ajeno)

Las fosfolipasas C y las esfingomielinasas son potentes reguladores metabólicos, que generan diacilgliceroles y ceramidas. Su acción catalítica se ejerce en las membranas, donde interaccionan con los lípidos, que influyen en sus actividades enzimáticas. Los diacilgliceroles y ceramidas producidos suelen modificar las propiedades de la bicapa, y así la actividad de éstas y otros muchos enzimas.

Las fosfolipasas C (PLCs) son fosfodiesterasas que hidrolizan el enlace entre el glicerol y el fosfato de los glicerolípidos. Su actividad produce diacilglicerol (DAG) y una base fosforilada, que puede ser fosforilcolina, fosforilinositol u otros. Las esfingomielinasas (SMasas) catalizan una reacción similar pero en esfingolípidos, dando lugar a ceramida (Cer) y a la base fosforilada, que es fosforilcolina cuando el lípido hidrolizado es esfingomielina (SM) (Fig. 1A).

Ambos enzimas tienen en común con el resto de lipasas que su sustrato no es soluble, sino que se presenta en estado agregado (sólido), a diferencia de lo que ocurre con la mayoría de enzimas, que trabajan en disolución. Por este motivo, las lipasas presentan cinéticas y mecanismos de regulación característicos y singulares. Debido al mesomorfismo de los lípidos (los cuales pueden encontrarse en distintas fases lamelares, además de las fases micelar, hexagonal, diversas fases cúbicas, etc.) el sustrato puede adoptar propiedades físicas muy diferentes y éstas, a su vez, podrán modular la actividad enzimática. Además, algunos de los productos finales de la reacción catalizada por PLCs y SMasas (DAG y Cer respectivamente) poseen propiedades físicas muy diferentes de las de sus lípidos precursores, por lo que la propia actividad enzimática es capaz de modificar el estado físico del sustrato, lo que a su vez influirá en cualquier otra actividad enzimática posterior. Esto pone de manifiesto la extremada complejidad de las interacciones lipasa-sustrato.

Tradicionalmente PLCs y SMasas se consideraban meros instrumentos en la degradación de lípidos. Sin embargo, el descubrimiento en las últimas décadas de la potente actividad biológica del DAG y la Cer ha suscitado un interés creciente en el estudio de estos enzimas y de sus funciones en las rutas de señalización celular. Estudios llevados a cabo en los últimos veinte años han revelado una serie de interesantes propiedades de estas proteínas, y de su interacción con los lípidos de la membrana (ver revisión en [1]). Algunos aspectos llamativos de estas investigaciones se resumen a continuación.

Interacciones lípido-proteína. Las interacciones entre los lípidos y las PLCs (o enzimas relacionados) implican que la actividad enzimática: (a) está modulada por el estado físico del sustrato; (b) está también modulada por las propiedades físicas de los lípidos no sustrato; (c) genera productos finales lipídicos que, a su vez, modifican la actividad a través de cambios en las propiedades físicas de la bicapa.

Similitudes entre los de procariotas y de eucariotas. Las PLCs bacterianas presentan semejanzas estructurales y mecanísticas con las de eucariotas, y lo mismo puede decirse de las SMasas bacterianas y las SMasas neutras de mamíferos. Esas similitudes permiten la comparación de las propiedades enzimáticas entre especies y, en algunos casos, proporcionan una base estructural para estudios comparativos (Fig. 1B).

Unión a la membrana y actividad enzimática. En el estudio de las PLCs y SMasas se puede distinguir entre al menos tres procesos: la adsorción a la superficie de la membrana, la inserción del enzima en la matriz hidrofóbica (no siempre obligatoria) y la actividad hidrolítica.

Períodos de latencia. Se observan en la mayoría, si no en todos los enzimas procariotas estudiados. Hasta la fecha no se han descrito tiempos de latencia en PLCs o SMasas de eucariotas, aunque es probable que existan, puesto que los procesos de unión y activación de estos enzimas son más complejos que los de sus homólogos bacterianos. Durante el período de latencia el enzima realiza su actividad, aunque a una velocidad muy baja. Cuando los productos lipídicos finales alcanzan un cierto nivel, el cambio local en las propiedades físicas de la membrana da lugar a que el enzima cambie su cinética, y que la catálisis ocurra a velocidad máxima. Esta explosión en la actividad enzimática suele estar precedida por la aglomeración de moléculas de enzima en un punto determinado de la membrana (Fig. 1C).

Activación interfacial. La mayoría de PLCs y SMasas exhiben una activación interfacial, es decir que la relación Vmax/KM es mayor cuando el sustrato se encuentra en forma agregada (micelar, lamelar) que cuando está en forma monomérica. Esto implica que los enzimas poseen dominios, distintos del sitio catalítico, a través de los cuales quedan anclados a la superficie lipídica.

Carga de los lípidos y curvatura intrínseca. Los lípidos que no son sustratos de estos enzimas, y poseen una carga neta negativa, a menudo influyen en la actividad enzimática. Lo mismo puede decirse de los lípidos con una curvatura intrínseca distinta de cero. Sin embargo, no hay ningún patrón claro de activación; por ejemplo los lípidos cargados negativamente que activan las PLCs de eucariotas no tienen el mismo efecto sobre la actividad de las PLCs de procariotas. Por otro lado, los lípidos con una curvatura intrínseca negativa, como la fosfatidiletanolamina o el colesterol, ejercen un efecto activador en la mayoría de los casos, debido a que facilitan la inserción de los enzimas en la matriz hidrofóbica.

Agregación de membranas y fusión. La mayoría de PLCs y SMasas inducen agregación y fusión de vesículas. Estos cambios estructurales están provocados por la generación de DAG y/o Cer como productos finales de la actividad enzimática en la membrana (Fig. 1D, E). También existen SMasas de eucariotas que participan en procesos de fusión celular.

(A) PLCs y SMasas. FA, ácidos grasos; SP, esfingosina; G, glicerol; P, fosfato. (B) Similitud estructural entre una PI-PLC bacteriana (izquierda) y una de mamífero (derecha) [2]. (C) Acumulación de moléculas de fosfolipasa (fluorescente) en regiones concretas de una vesícula [3]. Barra: 10 μm. (D) Vesículas antes y (E) después de ser fusionadas por efecto de una PLC [4]. Ver estructura en panal (flecha) característica de las vesículas fusionadas. Barra: 100 nm.
Referencias:
  1. Goñi F.M., Montes L.R. and Alonso A. (2012) Prog. Lipid Res. 51, 238-266.
  2. Heinz D.W., Essen L.O. and Williams, R.L. (1998) J. Mol. Biol. 275, 635-650.
  3. Ibarguren M., López D.J., Montes L.R., Sot J., Vasil A.I., Vasil M.L., Alonso A. and Goñi F.M. (2011) J. Lipid Res. 52, 635-645.
  4. Ibarguren M., Bomans P.H.H., Frederik P.M., Stonehouse M., Vasil A.I., Vasil M.L., Alonso A. and Goñi F.M. (2010) Biochim. Biophys. Acta 1798, 59-64.

Entrevista a Félix M. Goñi

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Supongo que de niño me sentía atraído por los temas científicos, pero con la investigación científica ocurre lo que Lope de Vega decía del amor: «Quién lo probó lo sabe». Así que mi vocación surge de verdad cuando empiezo a hacer experimentos en el laboratorio del Prof. Esteban Santiago en Pamplona, cuando yo era estudiante de 2º de Medicina. 

P.- ¿Le influyó alguien de forma especial?

R.- Fue determinante la asignatura de Bioquímica, que explicaba en 1º de Medicina el Prof. José María Macarulla, recientemente fallecido.

P.- ¿Recibió de joven algún consejo al cual siga siendo fiel?

R.- Me gustaría decir que sí, pero nunca he sido suficientemente listo (o humilde) como para atender a consejos.

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

R.- La investigación es una droga dura, pero que no engancha a todo el mundo. Para ser investigador lo primero es estar enganchado, y sentir mono cuando no tenemos la droga a mano. Todo lo demás (perseverancia, atención despierta, fortaleza frente a los fracasos) es una consecuencia de lo anterior. Margarita Salas ha dicho lo mismo de otra manera: «la investigación, si no es una pasión, no es nada». Ser inteligente ayuda.  

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

R.- Si esto es lo que te gusta (si estás enganchado) no lo dudes, ¡adelante!  

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

R.- La teoría de la relatividad y la teoría cuántica y el avance científico la conquista del espacio.

Perfil de Félix M. Goñi

Félix M. Goñi Urcelay (San Sebastián, 1951) es Doctor en Medicina y Cirugía (Navarra, 1975). Completó su formación en la Universidad de Londres (Royal Free Hospital). Ha sido Profesor Adjunto (1978-1984) y Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular (desde 1984) en la Universidad del País Vasco. En 1995-1999 fue Director de Política Científica del Departamento de Educación, Universidades e Investigación. En 1999-2000 fue Profesor Visitante en la Universidad de Victoria (British Columbia, Canadá). Desde 2002 es Director de la Unidad de Biofísica, centro mixto CSIC-UPV/EHU, en Leioa. Ha sido presidente de la Sociedad de Biofísica de España (1994-1998). En 2002 recibió el Premio Euskadi de Investigación Científica.