Los nanotubos, un mecano biológico útil

Las células de los organismos vivos se caracterizan por poseer una membrana que las separ, tanto del medio que las rodea como de las otras células. Estas membranas están compuestas principalmente por fosfolípidos, que son moléculas que poseen una cabeza polar y dos cadenas largas lipídicas apolares. Su misión no es únicamente actuar como aislantes, sino que llevan a cabo otras funciones indispensables para la subsistencia y el funcionamiento normal de las células, tales como e intercambio de sustancias con el medio (toma de nutrientes, secreción, etcétera) y la intercomunicación con otras células. Para realizar estas funciones existen una serie de proteínas encargadas de transportar de un lado al otro de la membrana las diferentes sustancias o moléculas que son necesarias para la célula.La intercomunicación entre dos células de un mismo organismo, en la mayoría de los casos, se origina mediante el intercambio de iones (átomos cargados). Por ejemplo, la base química de los impulsos nerviosos y musculares es el paso de iones entre distintas células. Para desempeñar esta función, las células útilizan, generalmente, los denominados canales iónicos, estructuras moleculares (proteínas) que se caracterizan por intercalarse en la membrana y que están, simultáneamente, en contacto tanto con el interior como el exterior celular. Cuando el canal iónico se activa crea en su parte central un agujero o poro por el que transitan los iones.

Se pliegan

Los canales iónicos, como las demás proteínas, se caracterizan por estar formados por cadenas extraordinariamente más extensas de unidades más pequeñas denominadas aminoácidos. Estas cadenas no adoptan una estructura lineal, sino que se pliegan para dar lugar a una disposición espacial determinada. Esta estructura tridimensional es extraordinariamente importante, pues ella, o la estructura resultante en respuesta a algún estímulo, es la principal responsable de su función biológica: el transporte selectivo de un determinado ion (principalmente sódico, potásico o cálcico) a través de la membrana celular.Además, este transporte es extraordinariamente eficaz, más de 10 millones de iones son transportados en un segundo. Dada su importante función, no es de extrañar que el funcionamiento irregular o deficiente del transporte iónico origine diferentes enfermedades cerebrales, nerviosas o musculares, como la fibrosis quística, algunos tipos de Parkinson, distonía muscular, etcétera.

A pesar de la importancia biológica de este proceso, hasta el momento se desconocen sus bases moleculares-, debido principalmente a que no se ha podido determinar exactamente la estructura terciaria de alguna de estas proteínas. El conoci miento de estas bases moleculares facilitará, por ejemplo, el diseño racional de metodologías preventivas o terapéuticas. El estudio de este tema se ha abordado empleando métodos diferentes. Uno de ellos consiste en obtener un cristal adecuado de una de estas proteínas para poder realizar un estudio de difracción de rayos X, que es la mejor forma para determinar la estructura tridimensional de una proteína. El principal problema de este método es la gran dificultad que entraña la cristalización de las proteínas de membrana.

Con modelos

El segundo método consiste en deducir la posible estructura tridimensional mediante estudios computacionales. Sin embargo, y a pesar del gran esfuerzo investigador dedicado, hoy por hoy, el uso del ordenador en este campo es todavía muy limitado.Otra forma de abordar la investigación en este campo es mediante la síntesis y estudio de modelos. Se trata de preparar estructuras que, compartiendo las propiedades de transporte que presentan los canales iónicos, sean mucho más sencillas y faciliten el estudio de los distintos factores que intervienen en este fenómeno. Idealmente, estas estructuras se deben preparar fácilmente, con un número reducido de transformaciones y en elevados rendimientos. Una vez sintetizadas, deben poder insertarse en las membrabas celulares o medios de similares características fisicoquímicas y, por supuesto, en estas condiciones, deben mediar el transporte de iones. No menos importante que los factores antes citados, es que estos modelos pasean unas características tales que permitan una detallada caracterización estructural. Ésto permitirá, entre otras cosas, correlacionar la estructura con las propiedades de transporte.

En relación con lo hasta aquí indicado, el trabajo de nuestro grupo de investigación en este campo, ha culminado recientemente con la preparación de una de estas estructuras que es capaz de transportar iones a través de membranas lipídicas. La base de nuestro diseño es una molécula cíclica formada por ocho aminoácidos (péptido cíclico). Esta molécula, gracias a su diseño, presenta la característica de interaccionar y acoplarse con otras unidades idénticas, de tal manera estructuras cíclicas se van superponiendo una sobre otra orginando unas estructuras moleculares que tienen forma de un tubo microscópico bo). Además, el péptido tiene la capacidad de se en medios grasos interior de aminoácidos constituyen (triptóucina) y por la disposición espacial de los mismos. Asío cuando se añade sobre dichas membranas es capaz de disolverse en ella y posteriormete ensamblarse originando un tubo, cuyo diámetro interno es de 7,5 A (1A = 10-10m), por el que pueden transitar los iones. Los experimentos realizados, empleando la técnica denominada patch clamp, permitió demostrar que esta estructura tubular es capaz de transportar mas de 15 millones de iones de sodio y potasio por segundo. Éste es el primer ejemplo de una proteína diseñada y sintetizado por el hombre que rivaliza con las naturales en el desempeño de sus funciones.

Sencillez

Lo más destacable de este modelo no es sólo su extraordinaria capacidad para el transporte iónico sino también, y sobre todo, la sencillez del modelo utilizado, basado en una estructura que se autogenera a partir de subunidades básicas idénticas. Como consecuencia sólo es necesario preparar esta subunidad básica cuya síntesis resulta, por ello, mucho más sencilla. De hecho la preparación del mencionado octapéctido se realizó en menos de una. semana utilizando técnicas de uso común en el laboratorio.En base a este trabajo, se espera que se puedan estudiar y esclarecer las bases moleculares del transporte biológico de iones, y que a partir de ello se puedan obtener conclusiones de interés para el tratamiento de algunas enfermedades mentales o nerviosas cuya causa esté relacionada con alguna deficiencia en el flujo de iones ;a través de canales iónicos. Por otro lado, no es muy difícil imaginarse que estructuras de este tipo, adecuadamente diseñadas, puedan funcionar como antibióticos, altamente selectivos, que actúen destruyendo el balance iónico celular de las bacterias y microorganismo S. La selectividad de estos antibióticos vendrá determinada por el tipo de aminoácidos utilizados. Esta es una ventaja adicional del modelo empleado, ya que es muy fácil modelar la morfología exterior del péptido, sólo se necesita emplear diferentes aminoácidos.

Por último, estas estructuras pueden tener importantes aplicaciones en el campo de las nuevas tecnologías, ya que los transportadores, de iones de este tipo podrían utilizarse en dispositivos tales como computadores iónicos, conductores moleculares, sensores eléctricos, etcétera.