Aspectos morfológicos
Los queratinocitos de las células epidérmicas se hallan sometidos a una acelerada renovación, indispensable para que se estructure de forma adecuada el estrato córneo. La constante eliminación de las células más superficiales requiere una rápida transformación de los queratinocitos del estrato granuloso en corneocitos capaces de desarrollar una eficaz función barrera.
La adecuada proliferación del estrato basal, capaz de adaptar su ritmo de mitosis a las necesidades del estrato córneo, es un factor clave para lograr una óptima homeostasis del tejido epidérmico.
En este contexto la diferenciación de los queratinocitos, así como la constante adaptación de las moléculas presentes en sus células, es tan importante como el ritmo de la proliferación del estrato basal.
Renovación de las proteínas intracelulares
Desde hace muchos años se valora y estudia el ininterrumpido recambio de casi todas las proteínas presentes en el interior de las células. Esta renovación interna es selectiva y se realiza con una frecuencia normalmente programada, según cuáles sean las necesidades de cada una de las células.
Su desarrollo se halla directamente relacionado con tres aspectos del metabolismo celular:
Las proteínas experimentan alteraciones de diversos tipos
• Recién sintetizadas, algunas presentan errores en su secuencia de aminoácidos, en cuyo caso es muy probable que muestren una anómala conformación espacial.
• También es relativamente frecuente que algunas proteínas interaccionen con moléculas equivocadas, lo que altera su normal actividad biológica y pasan a ser una fuente intracelular de problemas citoquímicos.
El proceso de diferenciación requiere una ordenada eliminación de proteínas
Ello es debido a que en los sucesivos estratos deben ser sustituidas por nuevas y diferentes proteínas que posean las funciones estructurales y biológicas que precisan los estratos a los que se incorporan.
Parte de la agresión ambiental que alcanza el estrato corneo supera la función barrera y daña a una parte de las proteínas presentes en las células viables
• La agresión oxidativa, sobre todo, se deriva de una exposición excesiva a la radiación solar, ya que causa la formación de las denominadas especies reactivas de oxígeno (ROS).
• Los diversos daños, en ocasiones parcialmente proteolíticos, que pueden causar las agresiones biológicas causadas por la presencia de parásitos, virus, hongos o microorganismos patógenos.
Lisosomas y proteosomas
La actividad de las proteínas es muy diversa y depende por un lado de la secuencia de los aminoácidos que la forman, y por otro de su conformación espacial, ya que las cadenas de aminoácidos se pliegan en hélices y bucles compactos.
Ambos aspectos pueden dar a ciertas proteínas una actividad enzimática, y convertirlas en catalizadoras de la mayoría de las reacciones más vitales para la célula y el tejido.
Cuando la presencia de una proteína es innecesaria o presenta anomalías, se impone proceder a su destrucción. Durante muchos años se ha considerado que esta función la desarrollan los lisosomas, ya que casi todas las células poseen estos orgánulos que encierran enzimas digestivas. Esta creencia se tambaleó cuando, a principios de los años ochenta se demostró que diversas células (en especial los hematíes inmaduros y también las bacterias) carecen de lisosomas, pero son capaces de eliminar sus proteínas anómalas.
Alfred Goldberg estudió este problema y demostró que la destrucción de las proteínas requería un consumo energético que no se producía en las degradaciones realizadas por los lisosomas.
Cuando se consiguió identificar y aislar a las enzimas responsables de esta degradación, los estudios realizados in vitro permitieron estudiar el desarrollo del proceso proteolítico y su nivel de consumo energético.
Resultó evidente que varias proteasas formaban complejos en unos orgánulos muy especializados, que actuaban a modo de trituradora para destruir a las proteínas previamente seleccionadas.
Debido a su específica naturaleza enzimática, estos complejos se denominaron proteosomas.
Dos aspectos se descubrieron a continuación:
• La señalización de las proteínas que debían se destruidas, única forma de evitar la destrucción de proteínas cuya degradación no era necesaria o incluso podría ser contraproducente.
• La mecánica que se producía en el proteosoma para lograr su proteólisis.
Presencia y morfología de los proteosomas
Se admite que en una célula normal pueden encerrarse hasta 30.000 proteosomas. Al margen de su variable grado de especificidad, es evidente que su actividad proteolítica es elevada, ya que en las células coexisten proteínas cuya vida media se sitúa en los 20 min con otras proteínas que deben subsistir durante días o semanas.
Pero estos niveles de degradación pueden presentar grandes variaciones, ya que hay una adecuación entre su actividad y las condiciones cambiantes del tejido.
Desde un punto de vista morfológico, los proteosomas poseen un elevado tamaño, que expresado en su peso molecular se corresponde con el de orgánulos de más de dos millones de Daltons. Recordemos que el peso medio de las proteínas normalmente oscila entre los 40.000 y los 80.000 Daltons. Hace unos 10 años, mediante la técnica de difracción de rayos X se logró determinar su arquitectura molecular.
Todos los proteosomas poseen una estructura central que presenta la forma de cilindro hueco y posee actividad proteolítica, que se complementa con una o dos estructuras casi globulares, de menor tamaño, situadas en posición terminal, en las que se desarrolla una actividad controladora y/o reguladora.
El cilindro central se estructura a partir de cuatro anillos superpuestos, cada uno de los cuales se conforma con el ensamblaje de siete subunidades. En su interior, diversas proteasas presentan sus dominios catalíticos, capaces de trocear las proteínas en ciertos enlaces peptídicos, lo que libera fragmentos proteicos que sólo contienen unos pocos aminoácidos.
En posición terminal se hallan las estructuras controladoras, capaces de identificar a las proteínas destinadas a ser degradadas (con lo que se excluyen las que deben sobrevivir), y seguidamente capaces de eliminar los diversos pliegues de las proteínas aceptadas.
Esta actividad reguladora incluye el desplazamiento de la proteína hasta el espacio cilíndrico catalítico y consume energía, tal como anunció Goldberg hace muchos años.
Etiquetado de proteínas
Aunque hay proteosomas especializados en la destrucción de algunas familias de moléculas proteicas, la mayoría de las proteínas deben ser marcadas previamente por la propia célula, ya que sólo al expresar una señal determinada la estructura controladora permitirá su incorporación al proteosoma.
Hay evidencias de que la inmensa mayoría de las proteínas destinadas a ser degradadas se unen a una proteína marcadora denominada ubiquitina, tal como demuestran Hershko et al1.
Esta proteína es de un reducido tamaño, ya que sólo posee una secuencia de 76 aminoácidos.
El proceso de fijación sobre la proteína diana es relativamente complejo, ya que en una primera fase una enzima (E1) contacta con una molécula de ubiquitina, lo que da lugar a que se active esta proteína marcadora. En esta situación, la ubiquitina se asocia a una segunda enzima (E2), que actúa de transportadora y propicia su contacto con una tercera enzima (E3).
Las enzimas E3 son mucho más complejas, ya que poseen diversos dominios que actúan como «enchufes», cada uno de ellos capaz de unirse a determinadas secuencias de las proteínas diana.
Sólo cuando el dominio de la enzima E3 se fija a una secuencia adecuada de la proteína diana finaliza esta primera fase del marcado, ya que entonces la ubiquitina activada se fija en la proteína diana, potencial huésped del proteosoma. Estas actividades enzimáticas también consumen energía, y sólo finalizan cuando diversas ubiquitinas, unidas entre sí, cuelgan de la proteína diana.
Sólo con la presencia de una cadena de moléculas de ubiquitina, fijadas sobre la proteína diana, se produce su reconocimiento por parte de la estructura controladora del proteosoma y su posterior tránsito hasta la estructura cilíndrica proteolítica.
Diversos estudios confirman la existencia de centenares de enzimas E3 diferentes, cada una de las cuales, a su vez, puede identificar con sus diversos dominios a diferentes proteínas, en función de las dispares secuencias de aminoácidos que indican la conveniencia de su destrucción.
Proteosomas decisivos del metabolismo celular
La destrucción selectiva de proteínas celulares es un mecanismo esencial en muchos de los procesos metabólicos.
Cada proteína contenida en una célula debe ser renovada por otra proteína recién sintetizada, lo que requiere su desaparición mediante los procesos proteolíticos que realizan los proteosomas.
Ésta debe considerase una actividad normal, destinada a mantener en buen funcionamiento todas las proteínas que precisa el metabolismo celular.
Es evidente que la degradación proteica impide la acumulación de proteínas aberrantes, potencialmente tóxicas. Pero hay otros aspectos que revisten una gran importancia.
Algunos de los más interesantes se reseñan a continuación.
Cada proteína contenida en una célula debe ser renovada por otra proteína recién sintetizada, lo que requiere su desaparición mediante los procesos proteolíticos que realizan los proteosomas
Ciertas enfermedades y los estados de desnutrición activan los proteosomas de las células musculares
Especialmente cuando el tejido adiposo ya ha sido consumido, lo que incrementa la lisis de las proteínas del músculo y la liberación de sus aminoácidos.
Éstos pueden convertirse en glucosa y así propiciar la deficiente combustión energética.
Los diabéticos no sometidos a tratamiento y los enfermos terminales de cáncer y de sida presentan una debilidad muscular causada por una excesiva degradación de sus proteínas.
Las células infectadas por microorganismos o virus identifican las proteínas extrañas y las someten a la acción proteolítica de sus proteosomas
Esta actividad defensiva se completa con su implicación en el sistema inmunitario, ya que el proteosoma libera algunos péptidos no superiores a 10 aminoácidos, en los que se han detectado secuencias anómalas de aminoácidos. Estos péptidos extraños alcanzarán la membrana plasmática celular y serán presentados por el llamado «complejo principal de histocompatibilidad de clase I» para que las células inmunitarias (las células T citotóxicas) los puedan identificar como una señal que precisa la destrucción de la célula infectada.
Hay evidencia de que las células de los ganglios linfáticos contienen proteosomas especializados (inmunoproteosomas) que potencian la eficacia de este mecanismo de vigilancia.
Las células tumorales, en sus diversos estadios que las convierten en células cancerosas invasoras, sintetizan proteínas anómalas que serán degradadas por los proteosomas
Pero sus péptidos más significativos también alcanzarán la membrana plasmática y, por tanto, serán presentados a las células inmunitarias que deben ser alertadas con su presencia y propiciar su destrucción.
El ciclo celular que permite la proliferación requiere una fase de síntesis de ácido desoxirribonucleico (ADN) (fase S)
La fase S, una vez finalizada, inicia una fase de «reposo» (fase G2) tras la que se produce la mitosis o división celular. El proceso finaliza con una nueva fase de reposo (fase G1).
Las células sólo abandonan la fase de reposo G1, e inician la división celular con la síntesis de ADN (fase S) si reciben una señal adecuada. Esta señal es un complejo proteico formado normalmente por una proteína Cdk, unida a otra proteína que actúa como interruptor (una ciclina), pero la presencia en el complejo de otra proteína inhibidora de Cdk impide que el complejo se active para transmitir la señal de proliferación.
Esta peculiar regulación de la proliferación celular permite que la célula, cuando lo considere oportuno en función de señales internas y externas, proceda a etiquetar a la proteína inhibidora con ubiquitina. Tan sólo la lisis de la proteína inhibidora por el proteosoma permitirá la activación del complejo Cdk/ciclina, responsable en última instancia de que se inicie la fase S del ciclo, iniciándose de nuevo el proceso de proliferación.
Es evidente que el protagonismo del proteosoma es vital para el ciclo celular.
La mayoría de las vías metabólicas celulares requieren la activación de moléculas clave en sus respectivos procesos
Los factores de transcripción y las proteincinasas son dos ejemplos muy importantes. Estas y otras moléculas con mucha frecuencia se hallan bloqueadas por inhibidores específicos de naturaleza proteica. Pero a nivel celular los procesos metabólicos también disponen de agonistas que emiten señales capaces de propiciar su activación. Hay evidencia de que los proteosomas pueden regular estos procesos metabólicos, tanto si no degradan las proteínas activadoras como si degradan las proteínas inhibidoras.
Estos conocimientos justifican el interés de los investigadores en identificar moléculas y mecanismos capaces de regular la actividad de los proteosomas, ya que su actividad está presente en muchas situaciones patológicas.
Búsqueda de inhibidores tópicos de la actividad de los proteosomas
Velcade es el nombre con el que se identifica a un compuesto organoborado utilizado como antitumorígeno en diversas enfermedades, incluido el mieloma múltiple. También se ha demostrado que velcade es un eficaz inhibidor de algunas actividades enzimáticas de los proteosomas.
Richardson et al2 han defendido su uso en estas y otras enfermedades malignas, basándose en el hecho de que la formación de un tumor precisa una activación del factor nuclear kappa B (NFkappaB).
Es bien sabido que la actividad de este factor nuclear, decisiva en muchas vías metabólicas cutáneas, sólo es posible si se elimina la proteína inhibidora IkappaB, con la que forma un complejo inactivo.
Anteriormente se ha expuesto que la actividad proteolítica de los proteosomas degrada a proteínas inhibidoras, con lo que se incrementa la actividad de determinados factores de transcripción (como NFkappaB). La eficacia antitumorígena de velcade se considera en parte ligada a su capacidad de inhibir la actividad de los proteosomas que podrían degradar IkappaB, ya que en este caso se mantiene inactivo el citado factor nuclear de transcripción.
También se ha demostrado que la actividad de tipo quimotripsina que poseen los proteosomas 20S y 26S es bloqueada por algunas moléculas activas extraídas de muy diversas plantas.
Entre ellas destacan algunos polifenoles, en especial Epigallocatechin gallate, así como los más activos antioxidantes obtenidos de la Camelia sinensis (tanto del green como del black tea), e incluso curcumin, obtenido de la especie Curcuma longa.
Esta última molécula induce la apoptosis celular a través de la vía mitocondrial3.
Una parte de los estudios realizados recientemente se han centrado en la búsqueda de componentes que posean una actividad antiangiogénica o antitumorígena.
Con esta finalidad se ha obtenido líneas celulares endoteliales modificadas con la inclusión del gen ras (SVR cells).
Estos cultivos celulares han sido utilizados por Arbiser et al4 para ensayar el potencial antiangiogénico de los componentes de un extracto de mate (Ilex paraguayensis).
Las fracciones activas correspondían a ésteres cafeicos del ácido quínico. Uno de ellos, el 3,5-DCQ (3,5-dicaffeoylquinic acid) inhibía en los proteosomas 20S y 26S la actividad de tipo quimotripsina y bloqueaba el ciclo celular en la fase G2/M, con lo que se impedía la mitosis.
Los autores observaron que el monoéster era poco eficaz en la inhibición de la citada actividad enzimática de los proteosomas, e incluso era incapaz de bloquear el ciclo celular en la fase G2/M.
Consideran muy probable que la actividad sobre los protosomas depende del número de unidades cinamato que posea la molécula estudiada. Por este motivo obtuvieron sintéticamente un tetraéster cinámico (PTTC), que mostró una elevada actividad inhibidora de los proteosomas.
Zollner et al5 han logrado transplantar una placa soriásica humana a la piel de ratones previamente tratados para evitar su rechazo.
Este modelo animal ha servido para demostrar que las moléculas capaces de inhibir a los proteosomas también eran capaces de aliviar la soriasis.
Todas estas investigaciones han permitido iniciar la búsqueda de nuevos activos capaces de inhibir a los proteosomas y por esta vía capaces de desarrollar actividades antiangiogénicas, antiinflamatorias y antisoriásicas.
Sin duda, el camino abierto por Goldberg6 hace ya muchos años sigue abierto y se puede esperar que en un futuro próximo se obtengan resultados satisfactorios.
Todas estas investigaciones han permitido iniciar la búsqueda de nuevos activos capaces de inhibir a los proteosomas y por esta vía capaces de desarrollar actividades antiangiogénicas, antiinflamatorias y antisoriásicas