Fundamentos Moleculares de la Biofísica

Cuando se aborda un tema como la Biofísica, es preciso hablar de la correlación que hay entre la Biología y la Física, tanto en sus aspectos teóricos como prácticos. En la Biofísica se abordan distintos temas de la biología con el fin de estudiarlos a partir de las teorías físicas aplicables a todo tipo de escala de magnitud. Es decir que, el estudio de los sistemas biológicos desde una perspectiva física necesariamente aborda escalas de magnitud que van desde la escala pico hasta la escala kilo, o incluso hasta escalas mayores. En otras palabras, en la biofísica se habla de escalas de magnitud del orden de $10^{-}$ $^{1}$ $^{2}$ hasta escalas del orden de $10^{3}$ . Por lo tanto, la biofísica estudia desde el comportamiento de las biomoléculas hasta la locomoción animal y las relaciones que ostenta un ecosistema. Todo esto, tomando herramientas matemáticas de distinta índole con el fin de cuantificar un poco más la biología. Por esto mismo, la motivación de este artículo es realizar una introducción clara y sencilla de los fundamentos moleculares de la biofísica con el fin de sentar unas bases para el estudio de la biofísica centrada en escalas de magnitud del orden de $10^{-}$ $^{1}$ $^{2}$ hasta el orden de $10^{-}$ $^{6}$ .

Los fundamentos moleculares de la Biofísica se basan, en esencia, en las biomoléculas, o macromoléculas, y su funcionamiento en todo aspecto. Sobre todo se basan en el antes, el durante y el después del dogma central de la biología, esto es, el proceso de obtención de información del material genético (ADN), y su respectiva transformación en proteínas que contribuyen al sostenimiento de la vida de los organismos biológicos. Entre este estudio se hace referencia concreta al reconocimiento molecular, la interacción entre anticuerpo y antígeno, interacciones intercelulares y la regulación molecular de la biosíntesis de proteínas.

Reconocimiento Molecular

Cuando se habla de la biología molecular surge una cuestión de suma importancia y que aún hoy en día concierne a la investigación vigente de la Biofísica. Esta cuestión hace referencia al modo mediante el cual dos moléculas se comunican entre sí con el fin de desarrollar un determinado proceso. Ejemplos de esto son la transcripción del ADN, la traducción del ARN en proteínas, el enlace de una proteína motora a un microtúbulo, la actividad enzimática en las reacciones químicas de los sistemas biológicos, entre otras. Esta facultad de reconocimiento entre moléculas es una de las propiedades más importantes de los sistemas regulados y reguladores, esto es, sistemas que se pueden regular a sí mismos mediante retroalimentaciones constantes (feedbacks), o que por este mismo medio pueden regular a otros sistemas. Dicho reconocimiento no es más que una clasificación por parte de un receptor de la molécula que de acuerdo con la información del emisor (otra molécula cualquiera) desarrolla una acción. Es importante aclarar que dicha habilidad de reconocimiento es inherente a las propiedades físicas de la molécula en conjunto, y que además, tienen una facultad asombrosa, y es que, pueden almacenar información a través de su vida media, con el fin de concatenar la información recibida con el patrón de reconocimiento guardado en esa memoria. Es decir, al igual que un sistema de correo electrónico, las moléculas guardan la información de la contraseña dentro de sí mismas para saber cuándo o cuándo no, hay una molécula cercana con dicha contraseña. Estos sistemas que poseen memoria son sistemas de reconocimiento instruidos. Por otra parte, hay sistemas cuyo reconocimiento es no instruido, esto es, un reconocimiento espontáneo del sistema. Este concepto de memoria es bastante abstracto y se tratará más adelante. Por ahora, es necesario centrar el estudio en la forma mediante la cual las moléculas se comunican.

Para hablar de la comunicación molecular y el reconocimiento entre éstas, es importante plantear un ejemplo que ilustre lo que se entiende por reconocimiento molecular. Cuando se da lugar a una reacción química en un sistema biológico, existen agentes catalizadores que permiten acelerar la reacción. La actividad de estos catalizadores (para este caso proteínas con funciones especiales denominadas enzimas) depende del sustrato. Cuando el sustrato es el correcto, hay una coincidencia entre los receptores de ambas partes y se forman complejos de reacción. A su vez existen inhibidores de las reacciones que funcionan con el mismo principio. A partir de esto, y de los ejemplos mencionados anteriormente, se puede decir que el reconocimiento molecular hace referencia a la transferencia y coincidencia de señales o de información entre dos partes. La transferencia hace referencia al envío de información de una parte a la otra, y la coincidencia hace referencia a que dicha señal enviada coincida con la base de datos de la otra parte. Hay que hacer claridad en que este reconocimiento no es el mismo concepto que se tiene de reconocimiento para las reacciones químicas, puesto que en este caso particular de la bioquímica y la biofísica, las partes no se ven alteradas a nivel químico, ni a nivel físico en sus propiedades. Por lo tanto se entiende reconocimiento molecular como la interacción débil y no química entre dos signaturas de dos moléculas.

La signatura de una molécula corresponde a una serie de características, tanto físicas como químicas, que encriptan dentro de sí una especie de contraseña o clave que solo es reconocida por una signatura de otra molécula configurada para leer dicho código. Tal y como se plantea en muchos de los libros de biofísica, biología y bioquímica, dicho reconocimiento hace referencia a una cerradura hecha para una única clave, tal y como se muestra en la imagen adjunta.

En la imagen se ve claramente como una signatura encaja con la otra. EL reconocimiento molecular funciona de la misma manera. Es importante comentar que el reconocimiento molecular va mucho más a fondo que este diagrama, y en particular, deja unas grandes implicaciones en cuanto a la síntesis de las proteínas se refiere. Durante la síntesis de proteínas los distintos aminoácidos se van uniendo mediante enlaces peptídicos. Dichas configuraciones generan una inmensa cantidad de proteínas. Además de esto, las proteínas se diferencian unas de las otras, de acuerdo a los carbohidratos que presenten en su estructura. Esto genera entonces un grado mucho mayor de complejidad de las moléculas permitiendo que el reconocimiento entre proteínas sea mucho más preciso.

Sin embargo, a pesar de esta complejidad, las enzimas no tienen una forma de reconocimiento altamente específica, sino que, por razones benéficas para el funcionamiento en conjunto de los sistemas biológicos, pueden formar complejos con substratos distintos, pero muy similares. Esto es, que un enzima tiene la capacidad de catalizar una familia de reacciones cuyos mecanismos y componentes sean bastante similares. Hay una razón fundamental que sustenta este funcionamiento de la naturaleza. La razón hace referencia a los organismos que producen estas proteínas: Debido a que hay tantos procesos químicos dentro de las células de los organismos (se mencionan las células por el simple hecho que son estas las que fabrican las proteínas) en los que intervienen distintas enzimas, conviene tener una enzima que catalice una serie de reacciones, y no una enzima por reacción, puesto que si fuera así, el funcionamiento de la célula sería ineficiente, y se gastaría demasiada energía (en forma de ATP) en la producción de enzimas que probablemente no se usen más que una sola vez. Ahora bien, la interacción entre signaturas, y por ende, el reconocimiento molecular se reduce a un concepto de vital importancia cuando se habla de Física y de Biología: La energía. Esto quiere decir que la amplitud del sustrato reglamenta y aumenta de forma proporcional la especificidad del reconocimiento y la estabilidad del complejo de reacción. En términos de energía, depende de la energía libre de interacción entre ambas signaturas. Lo interesante de esto es que dicha interacción se puede plantear como un poso de potencial con una barrera energética que determina el paso de un equilibrio estable del sistema a otro. Y es esta barrera energética la que provee al sistema de una memoria, es decir, que de acuerdo con esa barrera (determinada por la constante de Boltzmann) específica para cada interacción, es que se producen los reconocimientos instruidos y repetitivos.

Interacción Anticuerpo-Antígeno

Una de las principales aplicaciones a nivel organísmico del reconocimiento molecular, y sobre todo, el reconocimiento celular, es el funcionamiento del sistema imunológico de un organismo. Este sistema se encarga de proteger el cuerpo de un organismo de ciertos compuestos (proteínas y biopolímeros) externos al mismo. Estos agentes externos al cuerpo se denominan como antígenos(proteínas pertenecientes al grupo de las imunoglobulinas) y su interacción con el organismo, o con su sistema imunológico (vía anticuerpos) se explica a partir de la interacción molecular. Más a fondo, la respuesta imunológica de un organismo es producir anticuerpos con características particulares que se acoplen fácilmente a las características de los antígenos. Es decir, se sintetizan anticuerpos con signaturas muy similares (o en casos idénticas) a las signaturas de los antígenos, lo que permite que se forme un complejo anticuerpo - antígeno que inhiba el funcionamiento del antígeno en el cuerpo y finalmente se llegue a degradar. Estos procesos de interacción molecular ejemplifican con claridad el concepto antes tratado de memoria molecular. Puesto que cada molécula de cada célula del sistema imunológico guarda dentro de sí la información del antígeno al que se quiere adherir.

Inhibición de los anticuerpos por yodo gaseoso

La complejidad de los anticuerpos causa que la interacción entre éste y el antígeno sea bastante específica, sin embargo, como se explicó con anterioridad, cada signatura tiene una gama de signaturas similares a las que se puede adherir, tanto por la estructura química de cada una como la energía libre entre ambas signaturas. Por esto mismo, la interacción entre los anticuerpos y los antígenos puede ser inhibida con facilidad por ciertos componentes, como por ejemplo el yodo gaseoso. Cuando se trata un anticuerpo con yodo gaseoso, cada una de estas moléculas se adhiere a las signatura(s) del anticuerpo desactivando su función como protector ante los anticuerpos. No obstante, por la versatilidad de las signaturas, el yodo gaseoso se puede inihbir también a partir de la interacción entre el anticuerpo y una familia de compuestos orgánicos conocidos como haptenos. Lo que ocurre en estos casos es que antes de que se trató el anticuerpo con yodo gaseoso, se trata con un hapteno en específico. Debido a que el hapteno tiene una signatura compatible con la signatura del anticuerpo, este encaja en el anticuerpo. Luego de esto al tratarse con yodo gaseoso, se adhieren moléculas del compuesto en las afueras de la signatura pero sin desactivar el anticuerpo. Luego de esto, por inestabilidad molecular, los haptenos se desencajan de las signaturas permitiendo que el anticuerpo tenga una actividad normal pero con características diferentes por las moléculas de yodo adheridas en las afueras. Estos casos se ilustran en la imagen adjunta.

Interacciones Intercelulares

Como se anunció varias veces con anterioridad, el reconocimiento entre dos partes no ocurre solamente a nivel molecular sino que también ocurre a nivel supramolecular. En este caso peculiar a nivel celular. Esto tiene grandes implicaciones en la composición de organismos biológicos, puesto que el reconocimiento o interacción intercelular (entre una y varias células) permite el ensamblaje de tejidos a partir de una previa diferenciación celular. Estas interacciones y reconocimientos entre células son altamente específicos por lo dicho anteriormente: ensamblaje de tejidos para el desarrollo de organismos multicelulares.

Estas interacciones residen en su mayoría, en un reconocimiento molecular basado en el envío y la respectiva recepción de señales químicas. Dichas señales químicas dependen a su vez del medio en el que se encuentren las células. Por ejemplo, se han desarrollado experimentos de distinta índole con esponjas (porífera) para las cuales se han tomado células que forman agregados en agua salada, pero que no forman los mismos agregados de células en otros medios (se habla de agregados de células y no de tejidos debido a que las esponjas no forman tejidos en sus estructuras multicelulares). De esto se puede deducir dos hechos principales: El primero hace referencia al medio de transmisión de las señales químicas. Es decir que muy probablemente, el medio alcalino que representa el agua salada permite una mejor transmisión de señales químicas y por ende se potencia la taza de recepción de señales y por supuesto, se potencia el agregado de células. El segundo hecho hace referencia a lo que se mostrará en el siguiente epígrafe y es que la concentración de elementos y moléculas de distintos tipos en las cercanías de las células reglamenta la biosíntesis de proteínas que funcionan como señales químicas. De esto se hablará con mayor claridad más adelante.

Experimentos realizados por distintos biofísicos como por ejemplo Fesenko han demostrado que cuando se produce una interacción entre células se produce un crecimiento exponencial de la permeabilidad de las membranas celulares dando cabida a la transferencia de cationes de calcio entre una célula y la otra. Varios experimentos con distintos tipos de células muestran que el principal medio de comunicación e interacción intercelular consiste en el envío y la recepción de estos iones positivos. A su vez se ha podido observar que proteínas de distinta índole pueden cruzar de una membrana celular a otra si y sólo si existe un receptor para dicha proteína en ambas células, esto es, que exista una signatura en común entre la proteína receptora de la célula y la proteína emisora, que por lo general corresponde (a nivel experimental) a una proteína fluorescente. De esto surge algo sumamente importante en cuanto al autoensamblaje celular para formar tejidos. Esto hace referencia a que cuando hay un reconocimiento entre la célula y la señal química, la célula envía otra señal química de vuelta por medio de secreción de sustancias que permiten que más células del mismo tipo (las que tienen una signatura compatible con este mensaje) se agreguen al cúmulo de células. Hablando de células de organismos con la facultad de desarrollar tejidos, dicha sustancia que secretan las células es específica al tipo del tejido y no a la especie, de ahí que si se toman células de tejido humano y se mezclan con células del mismo tejido de otro mamífero (o cualquier otro animal que posea el mismo tejido) se observará un autoensamblaje de ambas partes para formar un tejido.

Regulación Molecular de la Biosíntesis de Proteínas

El fenómeno del reconocimiento molecular, que en últimas reside en las interacciones débiles debidas a la energía libre de la extensión de las signaturas, es la base de todo proceso biológico que se pueda denominar como autosuficiente. Esto es, un proceso biológico que se pueda retroalimentar así mismo con el fin de autoregularse. Como lo plantea el dogma central de la biología, las biosíntesis de proteínas es la base de la vida autosuficiente de un cuerpo unicelular o multicelular de todo tipo. Es decir, que la regulación de la producción de proteínas es lo que determina la vida media de un organismo, puesto que si no se regula este proceso puede haber sobreproducción de una proteína en específico que descontrolaría los procesos biológicos causando una muerte al organismo. Del mismo modo ocurre a la inversa (subproducción de un proteína vital). Por esto mismo la retroalimentación que tenga este proceso es vital para el sostenimiento de la vida de los organismos biológicos.

Si hay agentes mutágenos dentro del código del ADN, es evidente que este proceso de síntesis proteica va a tener falencias. Sin embargo, estas no son las únicas causas para generar falencias o regulaciones dentro del proceso de la síntesis de proteínas. Hay agentes no mutágenos, como por ejemplo la concentración de ciertas sustancias en el interior y en el exterior de las células que afectan directamente la producción de las proteínas necesarias para metabolizar estos agentes o simplemente para protegerse de estos. Esta último caso hace referencia a los circuitos genéticos. En pocas palabras, un circuito genético es un método de retroalimentación y de regulación de la biosíntesis de las proteínas. Al igual que en un hogar, cuando se necesita luz (es decir en ausencia de luz solar) se enciende una fuente de luz. De la misma forma si hay luz solar y no hay necesidad de una fuente alterna de luz se apaga. Este proceso se hace mediante interruptores de corriente. De forma análoga se realiza una regulación de la síntesis de proteínas. Esto se produce en varios casos distintos. Por ejemplo, para el caso de una célula de levadura, la concentración de galactosa en el exterior regula la cantidad de proteínas necesarias para metabolizar la galactosa que entra en la célula para producir a partir de esta ATP. En especial, las proteínas que son necesarias para este recorrido metabólico son la Galactosa3P y la Galactosa80P, a partir de las cuales se forman complejos de reacción con el fin de producir energía. Cuando la concentración de galactosa en el exterior de la célula aumenta, tiene un efecto de retroalimentación positivo sobre las producciones de estas proteínas, es decir que, se activa ese interruptor que permite la activación del gen que produce estos dos agentes metabólicos. Asimismo, si la concentración es baja, la Galactosa3P se degrada fácilmente, teniendo un efecto de retroalimentación positivo, es decir que se activa el interruptor que permite la producción de Galactosa3P, hasta llegar a un máximo de concentración de la proteína. Por otro lado la Galactosa80P tiene un efecto negativo de retroalimentación sobre sí misma, puesto que si aumenta su concentración, se desactiva el interruptor del gen que la codifica para que se deje de producir. Análogamente, la Galactosa80P tiene una retroalimentación negativa sobre la Galactosa3P, puesto que a mayor concentración de Galactosa80P, hay más complejos de reacción que evita la producción de Galactosa3P. Junto con esto, hay formas de inhibir ese feedback negativo de las Galactosa80P. Esto ocurre si aumenta la cantidad de doxicilina en el interior de la célula.

Esto anterior constituye un ejemplo que representa con claridad el proceso de regulación de la síntesis de proteínas, que en últimas recoge todo lo dicho anteriormente en los anteriores epígrafes. Lo importante de esto es tener en cuenta que las células trabajan con base en estos circuitos genéticos con procesos de reconocimiento celular instruidos que permiten que estas mismas se regulen a sí mismas mediante múltiples retroalimentaciones. Obviamente este es un ejemplo muy simplificado y a grandes rasgos, sin embargo, da una idea de la forma de operar de las células.

Referencias

VOLKENSTEIN.M.V. General Biophysics. Academic Press. Orlando, Florida. 1983.