Acércate a...

Trasiego de sustancias a través de sus membranas

La evolución ha diseñado a través de patrones comunes varias familias de proteínas de membrana, que regulan todo el tráfico de sustancias hacia adentro y hacia fuera de la célula. Su actividad es de una importancia vital para la vida celular y una función defectuosa da lugar a numerosos estados patológicos. El conocimiento a nivel molecular de estas proteínas es esencial para el desarrollo de nuevas estrategias diagnósticas y terapéuticas

Uno de los primeros logros en la evolución consistió en separar físicamente a los componentes celulares del medio circundante, y esto se realizó mediante la formación de bicapas lipídicas, un proceso espontáneo de asociación de sustancias anfipáticas en un medio acuoso. El resultado es la aparición de un entorno cerrado conteniendo diferentes sustancias, que en el caso celular lo constituyen metabolitos, proteínas, orgánulos, etc. Las células son, desde el punto de vista termodinámico, sistemas abiertos, esto es, deben ser capaces de intercambiar materia y energía con su entorno. Esta necesidad hace que la célula esté obligada a intercambiar una gran cantidad de sustancias a través de sus membranas, las cuales son estructuras con un entorno exterior polar y una capa interior muy hidrofóbica. Sólo unas pocas sustancias son capaces de atravesar libremente las membranas, bien porque se trata de moléculas muy pequeñas (agua, gases), o porque son moléculas lipofílicas (ácidos grasos neutros, esteroides, etanol, benceno, etc.). El resto lo tienen que hacer a través de la intermediación de proteínas de membrana que constituyen aproximadamente un tercio de todas las proteínas de la célula, lo que da una idea de la importancia de los sistemas de transporte, bien sean canales iónicos o transportadores de solutos. Los transportadores de solutos, a los que me referiré principalmente en adelante, representan la segunda mayor familia entre las proteínas de membrana en humanos con 383 miembros, detrás de la familia de receptores acoplados a proteínas G con 700 genes. Las proteínas transportadoras de solutos controlan la entrada y salida de la célula de sustancias como azúcares, aminoácidos, nucleótidos, iones inorgánicos y fármacos. Los transportadores han sido agrupados de acuerdo con sus funciones. Algunos son denominados «uniportadores», porque realizan la traslocación unidireccional de una sustancia. Los llamados «simportadores» o «antiportadores» realizan el paso simultáneo de dos sustancias en el mismo sentido o en sentido contrario, respectivamente. Estas proteínas transportadoras embutidas en la bicapa lipídica permiten el paso de solutos a su través mediante la formación de un poro constituido por dominios transmembrana en forma de hélice alfa.

Durante el proceso de traslocación de la sustancia a través de este poro, la proteína sufre cambios conformacionales como consecuencia del movimiento de estas estructuras secundarias helicoidales. Muy brevemente citaré que, desde el punto de vista energético, los transportadores se clasifican en transportadores pasivos (no requieren el aporte directo de energía) o activos (primarios o secundarios dependiendo de su dependencia de energía). El primer grupo lo constituyen canales iónicos y transportadores que median el paso de sustancias a favor de gradiente. Los transportadores activos primarios utilizan una fuente directa de energía como hidrólisis de ATP, luz, o reacciones de oxidación para impulsar el paso de una sustancia en contra de su gradiente, mientras que los transportadores activos secundarios acoplan el paso del soluto (en contra de gradiente) al paso de un ión «acoplante» como sodio o protones, los cuales pasan a favor de gradiente.

Más de 50 transportadores activos primarios (aparte de las ATPasas) de humanos pertenecen a una superfamilia llamada transportadores ABC, que transportan iones, azúcares aminoácidos, fosfolípidos, toxinas y gran cantidad de fármacos. Su función es muy importante en muchas terapias, puesto que regulan la absorción y eliminación de fármacos.

Un mal funcionamiento en el mecanismo de transporte de la mayor parte de las proteínas transportadoras acarrea disfunciones en diversas partes del cuerpo, lo que abunda en su importancia regulando procesos fisiológicos fundamentales. Por ejemplo, la malabsorción de glucosa o galactosa, caracterizada por una diarrea severa, está causada por un defecto en el funcionamiento del transportador intestinal de glucosa dependiente de sodio. La pérdida de los transportadores de lisina, arginina y cisteína en las membranas en cepillo intestinales o renales causan la aparición de una enfermedad llamada cistinuria y piedras en el riñón. Mutaciones en el transportador llamado rBAT (para aminoácidos básicos) causa cistinuria tipo I. La fibrosis cística está causada por un mal funcionamiento de un canal de cloruro y, como último ejemplo, mutaciones en un transportador de glicina en neuronas del SNC causan una enfermedad neuromuscular llamada hiperkplexia.

Cada vez es más frecuente la descripción de polimorfismos en genes que codifican transportadores que producen o predisponen a enfermedades. Variantes génicas en el promotor del transportador de serotonina o en el transportador de dopamina se ha asociado al riesgo de padecer Alzheimer o Parkinson respectivamente o estar implicadas en adicción a drogas.

Me gustaría, por último, hacer mención de la importancia que tienen muchos transportadores a la hora de diseñar sustancias de uso terapéutico. Son fundamentales en la absorción intestinal de sustancias a través del tracto gastrointestinal, así como en su distribución tisular y celular hasta alcanzar su objetivo. En otras ocasiones, los propios transportadores constituyen la diana farmacológica como en el caso del antiepiléptico tiagabina (inhibidor de un transportador de GABA), antidepresivos como los inhibidores específicos del transportador de serotonina, o los transportadores implicados en la resistencia a agentes neoplásicos, entre otros muchos.

Muestra, a modo de ejemplo, una vista cenital de un transportador de glicina mostrando el poro de transporte de sustrato e iones acoplantes.
Referencias:
  1. Fredriksson R, Nordström KJV, Stephansson O, Hägglund MGA and Schiöth HB. The solute carrier (SLC) complement of the human genome: phylogenetic classification reveals four major families. FEBS Letters 2008; 582, 3811-3816.
  2. West IC. Ligand conduction and the gated-pore mechanism of transmembrane transport. Biochim. Biophys. Acta 1997; 1331, 213-234.
  3. Palacín M, Estévez R, Bertan J and Zorzano A. Molecular Biology of Mammalian Plasma Membrane Amino Acid Transporters. Physiological Rev. 1998; 78, 969-1054.
  4. Kanner BI and Zomot E. Sodium-Coupled Neurotransmitter Transporters. Chem. Rev. 2008; 108, 1654-1668.
  5. Kanner BI. Intimate contact enables transport. Nature 2005; 437, 203-205.
  6. Bröer, S and Palacín M. The role of amino acid transporters in inherited and acquired diseases. Biochem. J. 2011; 436, 193-211.
  7. Zafra F, Aragón C and Giménez C. Molecular Biology of Glycinergic Neurotransmission. Mol. Neurobiol. 1997; 14, 117-142.
  8. Zafra F and Giménez C. Glycine Transporters and Synaptic Function. IUBMB Life 2008; 60, 810-817.

Entrevista a Cecilio Giménez

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- Ni por mi lugar de nacimiento, a finales de los cuarenta en un pueblo de la provincia de Almería, ni por mi entorno familiar, que se dedicaban a negocios, ni por mi entorno social, propicio a profesiones en las que la productividad lucrativa empezaba a ser rápida y hasta cierto punto fácil con el arranque de la agricultura intensiva en invernaderos, se daban condiciones para ver la ciencia como una posibilidad real a la que yo me dedicara. Como consecuencia de la pérdida de mi padre cuando yo tenía 5 años, sin duda ninguna fue mi madre la que influyó en que muchas de las circunstancias más arriba citadas cambiaran radicalmente. Por otra parte, ella me inculcó las bases de unos valores sólidos, así como unas prioridades en la vida muy claras a las que debería aspirar con mucho esfuerzo personal, dedicación y honestidad. En Granada hice el Bachillerato y estudié Ciencias Químicas. Durante la carrera, la Química Orgánica constituyó la asignatura que más me gustó y a la que más tiempo de dediqué, pero fue en quinto curso cuando al estudiar Bioquímica de la mano de los profesores Federico Mayor e Ignacio Núñez de Castro, descubrí una especie de «súper Química Orgánica» que, si bien no mi vocación científica, si que despertó mi curiosidad para ver cómo funcionaban los seres vivos desde el punto de vista químico. De cualquier manera, mi primera profesión después de hacer las prácticas de las milicias universitarias, fue un trabajo en una fábrica de azúcar. Dos periodos que me permitieron reflexionar y pensar que podía explorar la posibilidad de hacer la tesis doctoral en el campo de la Bioquímica completando así mi formación experimental. Las clases de Bioquímica en la Facultad por los profesores antes citados eran apasionantes e inducían a dedicarse como profesional a este campo. Para mí fue una lección que siempre tengo presente cuando cada curso estoy delante de mis alumnos. Tuve la suerte de que el profesor Federico Mayor me aceptara en su Departamento de la Facultad de Farmacia de Granada, y allí inicié mi carrera profesional. 

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Realicé mi Tesis Doctoral en Granada bajo la dirección de Fernando Valdivieso el cual, con un entusiasmo arrollador, acabó por convencerme de la pasión por la investigación en patologías que afectaban a humanos y a las que teníamos la oportunidad de aportar datos para esclarecer su etiopatología y, a la postre, contribuir al bienestar de enfermos. Acabé la Tesis en la Universidad Autónoma de Madrid tras el traslado a la misma del profesor Mayor Zaragoza, lo que hizo expandir mis perspectivas profesionales de una forma muy importante. Realicé una larga estancia posdoctoral en la Universidad de Birmingham (UK) que constituyó para mí una experiencia personal muy valiosa. Desde el punto de vista profesional, lo que posiblemente más influyó en mi trayectoria científica fue tener la oportunidad de contactar, colaborar y acabar en muchos casos en una gran amistad personal, con miembros del llamado «grupo de los bioenergéticos» como Baruch Kanner, Shimon Shuldiner, Gary Rudnick, y otros que provenían de la escuela de Efraim Racker con una visión my mecanicista y particular sobre el acoplamiento termodinámico en los fenómenos de transporte a través de membranas, el campo al cual he dedicado toda mi carrera.

Desde el punto de vista de gestión académico-administrativa creo que he pasado por casi todos los puestos en el entorno que me he movido: director de Departamento, Director del Instituto de Biología Molecular y Director de Centro de Biología Molecular Severo Ochoa. En términos generales seguiría los mismos pasos más o menos, aunque con la perspectiva que dan los años y la experiencia creo ahora que hubiera sido para mí más interesante no haber tenido tan temprano puestos de responsabilidad administrativa.

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

R.- Es una profesión que requiere de una mezcla de características un poco heterogéneas. Curiosidad para ver lo que muchas veces no es obvio, dedicación, capacidad de trabajo en equipo (compartir), paciencia, honestidad y habilidad para las relaciones humanas.  

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

R.- Nuestro Grupo está interesado en el estudio de las bases moleculares de la esquizofrenia. En los últimos años se tienen muchas evidencias experimentales que relacionan la hipofunción de receptores de glutamato del tipo NMDA con la esquizofrenia. La activación de este receptor requiere su unión simultánea a los neurotransmisores glutamato y glicina. La función sináptica de estos neurotransmisores finaliza por la acción de varios transportadores glutamato y de glicina, concretamente GLT1/EAAT2 para glutamato y uno de glicina, GLYT1. Se cree que la inhibición farmacológica de estos transportadores aumentaría la concentración de neurotransmisores en sinapsis glutamatérgicas y, así, la actividad de NMDAR. Recientemente, nuestro grupo ha identificado y localizado al transportador de glicina GLYT1 en elementos neuronales del cerebro estrechamente relacionados a vías glutamatérgicas. Allí está presente en la densidad postsináptica de sinapsis asimétricas y se encuentra asociado a receptores NMDA mediante la proteína de andamiaje PSD95. Mediante técnicas inmunohistoquímias hemos demostrado que en estas estructuras también se encuentra el transportador de glutamato GLT1. Tanto GLT1 como GLYT1 parecen funcionar de forma concertada para regular los niveles de los dos ligandos de receptor NMDA, glutamato y glicina. En la actualidad estamos interesados en el análisis de los mecanismos de tráfico que permiten una localización específica de estos dos transportadores en la vecindad de los receptores glutamato.

Los transportadores de glicina y glutamato están sujetos a procesos de tráfico intracelular, que a su vez, son regulados por varias vías de transducción de señales e interacciones con proteínas celulares, todo ello encaminado a controlar los niveles de estos transportadores en las sinapsis glutamatérgicas. La actividad de estos neurotransportadores tiene una gran trascendencia sobre la actividad de las vías glutamatergic, y su modulación se considera de gran interés para el tratamiento de las disfunciones que afectan al sistema glutamatérgico. Más concretamente, nos gustaría profundizar en la comprensión los mecanismos de biogénesis: salida del retículo endoplasmático, tránsito por el complejo Golgi, y distribución asimétrica hasta los subdominios diferentes de la membrana celular, su anclaje a proteína PDZ y, finalmente, endocitosis para degradación o reciclaje. En particular, nuestro proyecto se centra en la relación entre el proceso de ubiquitinación de estos transportadores con su tráfico, puesto que resultados nuestros previos han demostrado que la ubiquitinación de los transportadores está relacionada no sólo con su degradación, sino también con procesos de los mencionados anteriormente. En relación con la fisiopatología de la esquizofrenia, se sabía que el transportador GLT1 se encuentra alterado en pacientes y, por otra parte, GLT1 se ha convertido en una diana de gran interés terapéutico para el desarrollo de nuevas fármacos antipsicóticos. 

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

R.- No sé muy bien que quiere decir el término «carrera científica» desde el punto de vista institucional. Yo el tema lo he considerado siempre como una trayectoria científica personal que debería pasar inexorablemente por hacer una tesis doctoral con un buen grupo de investigación, realizar una estancia posdoctoral en un laboratorio extranjero de calidad contrastada y, más tarde, acceder a puestos en centros de investigación españoles. Otra cosa es que el sistema de I+D español tenga que crear y mantener condiciones para absorber a estos científicos ya formados según sus méritos. En toda esta trayectoria, lo que no puede hacer uno, a ser posible, es equivocarse. Quiero decir, hay que elegir muy bien tanto el grupo y el sitio donde se hace la tesis, como donde se realiza el posdoctorado.

En cuanto a la segunda pregunta, creo que España ha dado un vuelco en Ciencia en los últimos cuarenta años, debido principalmente a personas que siguieron trayectorias como las que he apuntado más arriba. Sobre el tema de la inversión en I+D sólo dos apuntes. Es ya clásica la falta de inversión privada en este campo debido a la estructura económica del país; por otro lado creo que la inversión estatal debería estar contemplada (al menos en parte) como lo que en otros países se denominan «fondos estratégicos» no sujetos a vaivenes de color político o circunstancias económicas. Ello daría un horizonte de estabilidad mínimo con el que trabajar.

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

R.- Circunscribiéndome al ámbito de la Bioquímica y la Bilogía Molecular, creo que lo más sorprendente a raíz del descubrimiento de la estructura de los ácidos nucleicos y de la puesta a punto de la técnicas de DNA recombinante, es que cualquier laboratorio de Biología Molecular con acceso a técnicas no muy sofisticadas desde el punto de vista de necesidades materiales, tiene capacidad para manipular la información genética con gran facilidad.

Perfil de

Cecilio Giménez (Dalias, Almería, 1948) es Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular en la Universidad Autónoma de Madrid. Pertenece al Centro de Biología Molecular Severo Ochoa (CSIC-UAM) y forma parte del Centro de Investigación Biológica en Red de Enfermedades Raras y del Instituto de Investigación Biomédica IdiPAZ (ambos de Instituto Carlos III). El Prof. Giménez ha dirigido varias Tesis Doctorales y ha publicado más de 100 artículos sobre Neurobiología. Su trabajo se ha centrado en el estudio bioquímico, biofísico y molecular de sistemas de transporte para aminoácidos neurotransmisores en neuronas y células de glia, y su implicación en neurotransmisión en estados patológicos. Actualmente, el laboratorio se dedica al estudio de las bases moleculares de la esquizofrenia en relación a la hipótesis glutamatérgica y del estudio de mutaciones causantes de hiperekplexia.