4.7 Plegado de proteínas y Enfermedades asociadas

Las proteínas se sintetizan en los ribosomas como polipéptidos nacientes en la luz del retículo endoplasmático (RE). La secuencia de aminoácidos de las proteínas que determina las estructuras secundarias y terciarias está dictada por la secuencia de nucleótidos del ARNm. A su vez, las secuencias de ARNm están determinadas por secuencias de ADN (Capítulos 23-25232425). Como se discutió anteriormente, los experimentos clásicos de Pauling y Anfinsen llevaron a los conceptos de que ciertos aminoácidos clave en las posiciones adecuadas son esenciales para el plegado de proteínas en una conformación tridimensional, funcional y única. Es sorprendente que, de cientos de millones de posibilidades conformacionales, solo una forma conformacional esté asociada con una proteína funcional. El proceso de dirigir y dirigir el plegado de polipéptidos intermedios a las estructuras completamente plegadas es ayudado, en algunos casos, por proteínas conocidas como chaperonas moleculares (también llamadas chaperoninas) (Figura 4-13).

la FIGURA 4-13. Vía de plegado de proteínas. El plegamiento normal se produce con la ayuda de chaperonas y otros factores. El plegado incorrecto de los polipéptidos puede conducir a la orientación a ubicaciones celulares inapropiadas, o a la degradación como parte del proceso de control de calidad, o a la agregación. El producto agregado a menudo es resistente a la proteólisis y forma agregados, como placas amiloides.

Las chaperonas se unen de forma reversible a segmentos de polipéptidos desplegados y evitan su plegado incorrecto y agregación prematura. Este proceso implica un gasto energético proporcionado por la hidrólisis de ATP. Una clase importante de proteínas chaper son las proteínas de choque térmico (hsp), que se sintetizan en células procariotas y eucariotas en respuesta al choque térmico u otras tensiones (por ejemplo, exposición a radicales libres). Hay muchas clases de chaperonas de choque térmico (HSP-60, HSP-70 y HSP-90) que están presentes en varios orgánulos de la célula. Las chaperonas HSP – 70 contienen dos dominios: un dominio ATPasa y un dominio de unión de péptidos. Estabilizan polipéptidos nacientes y también son capaces de reconformar formas desnaturalizadas de polipéptidos. La familia de acompañantes HSP-70 muestra un alto grado de homología de secuencias entre varias especies (por ejemplo, las proteínas E. coli y HSP-70 humanas muestran un 50% de homología de secuencias).

Otra acompañante, la calnexina, es una proteína de unión a Ca2 + de 90 kDa y es una fosfoproteína de membrana integral de ER. Calnexin monitorea la exportación de glicoproteínas recién sintetizadas al complejarse con glicoproteínas mal plegadas que han sido sometidas a glicosilación (Capítulo 16). Si una proteína no se puede plegar en su conformación adecuada, las chaperonas ayudan en la destrucción. El proceso de plegado también se ve facilitado por el entorno iónico, los cofactores y las enzimas. Por ejemplo, el plegamiento se ve afectado por la isomerasa disulfuro de proteínas, que cataliza la formación de enlaces disulfuro correctos, y por las isomerasas prolil peptidil, que catalizan la isomerización cis-trans de enlaces péptidos específicos de aminoácidos y prolina.

Un síndrome de demencia caracterizado por un deterioro progresivo insidioso de la memoria, la cognición, la estabilidad conductual y la función independiente fue descrito por Alois Alzheimer y se conoce como enfermedad de Alzheimer (EA). La edad es un factor de riesgo importante para la EA; afecta al 10% de las personas mayores de 65 años y aproximadamente al 40% de las personas mayores de 85 años. Los cambios neuropatológicos característicos incluyen la formación de placas neuríticas extracelulares y enredos intraneuronales con pérdida neuronal asociada en hipocampo y neocórtex (Figura 4-14).

la FIGURA 4-14. Sección de corteza cerebral de un paciente con enfermedad de Alzheimer que contiene enredo neurofibrilar (A) y placa neurítica (B). La sección fue procesada con la mancha de Bielsehowsky. (Cortesía de John M. Hardman.)

El componente principal de las placas extracelulares es la proteína β amiloide (Aß), que se agrega en filamentos de 8 nm. El Aß es un péptido de 40 o 42 residuos de aminoácidos y se deriva proteolíticamente de una glicoproteína transmembrana conocida como proteína precursora β-amiloide (β APP). Las enzimas que hienden ßAPP a Aß se conocen como secretasas. La ßAPP se expresa ampliamente, particularmente en el cerebro, y su gen se ha localizado en el cromosoma 21q. Dos observaciones principales han ayudado a comprender el papel de los péptidos Aß en la patología de la enfermedad de Alzheimer. La primera es que los pacientes con síndrome de Down trisomía 21 (es decir,, tres cromosomas 21 en lugar de dos), exhiben depósitos de Aß y desarrollan características clásicas de la enfermedad de Alzheimer a la edad de 40 años o antes. En segundo lugar, se han identificado varias mutaciones sin sentido en ßAPP en casos de enfermedad de Alzheimer autosómica dominante. Estas mutaciones dominantes en ßAPP afectan negativamente la acción de las secretasas, ya sea aumentando la tasa absoluta de excreción de Aß (mutaciones N-terminales) o aumentando la proporción Aß42 a Aß40 (mutaciones C-terminales).

Los trastornos hereditarios de la enfermedad de Alzheimer representan menos del 1% de todos los casos. Los péptidos Aß se agregan para formar estructuras β que conducen a fibrillas. Los péptidos Aß42 son más neurotóxicos y producen efectos tóxicos por muchos mecanismos interrelacionados. Estos pueden implicar lesiones oxidativas, cambios en la homeostasis intracelular de Ca2+, reorganización citoesquelética y acciones de citocinas.

Los enredos intraneuronales son haces de filamentos helicoidales pareados largos que consisten en la proteína tau asociada a microtúbulos. La función normal de la proteína tau es estabilizar los microtúbulos en las neuronas al mejorar la polimerización de la tubulina. Normalmente, la proteína tau es soluble; sin embargo, cuando está excesivamente fosforilado, se convierte en un polímero filamentoso insoluble. La desregulación de los eventos de fosforilación/desfosforilación se ha atribuido a una mayor actividad de ciertas quinasas y una disminución de la actividad de ciertas fosfatasas. Mientras que las placas son patognomónicas para la EA, los enredos se encuentran en enfermedades neurológicas etiológicamente diferentes. Los trastornos de hiperfosforilación anormal y agregación aberrante de la proteína tau en polímeros fibrilares se conocen como taupatías. Ejemplos de taupatías además de la EA son la parálisis supranuclear progresiva, la enfermedad de Pick, la degeneración corticobasal y las demencias frontotemporales.

Otros dos genes, además de ßAPP, han sido implicados en la aparición temprana de formas autosómicas dominantes de la enfermedad de Alzheimer. Los otros dos genes causantes se encuentran en los cromosomas 14 y 1 y codifican para proteínas transmembranaspresenilina 1 (que consta de 467 residuos de aminoácidos) y presenilina 2 (que consta de 448 residuos de aminoácidos). Estas proteínas se sintetizan en las neuronas, pero sus funciones no se conocen. Sin embargo, las mutaciones en los genes de presenilina conducen a una producción excesiva de péptidos Aß42.

Las formas esporádicas de la enfermedad de Alzheimer, responsables del 90% de todos los casos, son enfermedades complejas y pueden representar la acción combinada de factores ambientales y rasgos genéticos que se manifiestan durante largos períodos de tiempo. Se ha encontrado que varias formas de un gen polimórfico para la apolipoproteína E (apo E) que se encuentra en el cromosoma 19 ocurren con mayor frecuencia en personas con enfermedad de Alzheimer. Hay tres alelos del gen apo E con seis combinaciones: ε2/ε2, ε3/ε3, ε4/ε4, ε2/ε3, ε2/ε4, y ε3/ε4. Apo E es una proteína portadora de lípidos que se sintetiza principalmente en el hígado; sin embargo, también se sintetiza en astrocitos y neuronas. La función de las proteínas apo E en el metabolismo de las lipoproteínas y su relación con la aterosclerosis prematura se discuten en el Capítulo 20.

De los varios genotipos de apo E, la adquisición de dos alelos apo E ε4 puede aumentar el riesgo de enfermedad de Alzheimer hasta ocho veces. Cada copia del gen apo E aumenta el riesgo y cambia el inicio a edades más bajas. El mecanismo bioquímico por el cual la proteína apo E ε4 participa en la formación de enredos y placas no está claro. Se han sugerido varios mecanismos, a saber, la interacción con la proteína tau y la generación, y el aclaramiento de los péptidos Aß.

La terapia farmacológica para la enfermedad de Alzheimer consiste en corregir el déficit colinérgico mediante la administración de inhibidores de la acetilcolinesterasa (por ejemplo, tacrina, donepezilo). La terapia con estrógenos en mujeres con enfermedad de Alzheimer se ha asociado con un mejor rendimiento cognitivo. El efecto beneficioso del estrógeno puede deberse a acciones colinérgicas y neurotróficas. Otras estrategias terapéuticas están dirigidas a inhibir o disminuir la formación de péptidos neurotóxicos. Además, los fármacos que digieren selectivamente los péptidos agregados pueden resultar útiles. Una vacuna experimental que contiene péptido AP administrado a ratones productores de placa conduce a una menor formación de placa en ratones más jóvenes y a la desaparición de placas en los ratones más viejos. Las alteraciones en la formación de placa en ratones se asociaron con la preservación de la memoria y la capacidad de aprendizaje. La vacunación no desencadenó una respuesta autoinmune ni una reacción tóxica en los animales de experimentación. Por lo tanto, estos estudios han impulsado el desarrollo de una vacuna para humanos.

En la evaluación de un paciente para la enfermedad de Alzheimer, es esencial que se excluyan otras causas tratables de demencia mediante la determinación de parámetros bioquímicos y clínicos críticos. Algunas de las anormalidades tratables y relativamente comunes que producen demencia incluyen abuso de drogas, desequilibrio electrolítico, anormalidades tiroideas y deficiencia de vitamina B12; las anomalías menos comunes son el tumor, el accidente cerebrovascular y la encefalopatía de Wernicke.

La amiloidosis por transtiretina (también llamada polineuropatía amiloide familiar) es un síndrome autosómico dominante caracterizado por neuropatía periférica. Esta enfermedad es el resultado de una de las cinco mutaciones identificadas hasta ahora en el gen de la transtiretina. La transtiretina también se llama prealbúmina (aunque no tiene relación estructural con la albúmina) porque migra por delante de la albúmina en la electroforesis estándar a un pH de 8,6. La transtiretina se sintetiza en el hígado y es una proteína plasmática normal con una concentración de 20-40 mg / dL. Transporta la tiroxina y la proteína de unión al retinol (Capítulo 38). La concentración de transtiretina disminuye significativamente en la desnutrición y los niveles plasmáticos son diagnósticos de trastornos de desnutrición (Capítulo 17).

El gen de la transtiretina reside en el cromosoma 18 y se expresa de manera constitutiva. La estructura primaria de la transtiretina consiste en 127 residuos de aminoácidos y ocho estructuras de lámina β dispuestas en una conformación antiparalela en planos paralelos (Figura 4-15).

la FIGURA 4-15. La estructura de la transtiretina. La molécula contiene ocho hebras β antiparalelas (A-H) dispuestas en dos planos paralelos. La forma circulante de la transtiretina es un tetrámero. Algunas mutaciones en el gen de la transtiretina están asociadas con amiloidosis y se indican ocho de las alteraciones de aminoácidos que causan esta enfermedad. En plasma, la transtiretina es un tetrámero compuesto de monómeros idénticos. Parece que las mutaciones causan que el intermedio desplegado monomérico de la transtiretina se agregue en una formación de fibrillas de β-amiloide insoluble.

Las EET pueden presentar presentaciones hereditarias, infecciosas y esporádicas. Además, la enfermedad hereditaria también puede ser infecciosa. La ECJ se presenta tanto como un trastorno autosómico dominante hereditario como en una forma transmisible. En la hipótesis de «solo proteína», la proteína priónica anormal, ya sea introducida de fuentes externas o producida por el gen de proteína priónica mutada, afecta el plegamiento normal de proteínas y desplaza el plegamiento de proteínas priónicas hacia la formación de proteínas priónicas anormales. La conversión de la proteína prion normal, cuya función es desconocida, a una forma aberrante implica un cambio conformacional en lugar de una modificación covalente. La proteína prión anormal funciona como una semilla que induce a la proteína prión celular normal hacia las proteínas de estructura β ricas en amiloidógenos anormales que pueden propagarse y transmitirse a otras células. La forma agregada de proteína priónica que forma amiloide es resistente a la proteólisis.

La conversión de la proteína prion sensible a la proteasa natural a una forma resistente a la proteasa se produce in vitro mezclando las dos proteínas. Sin embargo, estas proteínas priónicas resistentes a la proteasa no son infecciosas. Por lo tanto, en la hipótesis «solo proteica» de la infección por priones, la adquisición de una conformación aberrante no es suficiente para la propagación de la infectividad. Sin embargo, en el sistema de levadura (Saccharomyces cerevisiae), la forma de prión anormal de la proteína de levadura, introducida por fusión liposómica, es capaz de sembrar un cambio conformacional de auto propagación de las proteínas normales, que se acumulan como agregados. Los agregados son transmisibles a células de levadura hijas junto con la propagación de fenotipo anormal.

Recientemente ha surgido un grave problema de salud pública al mostrar que una enfermedad priónica en el ganado puede cruzar las barreras de las especies e infectar a los seres humanos. Esto ocurrió cuando el ganado se alimentaba con harina de ovejas infectadas con tembladera. El ganado desarrolló EEB (comúnmente llamada «enfermedad de las vacas locas»). Posteriormente, cuando las personas consumieron carne de res contaminada con priones, un pequeño número, principalmente en Gran Bretaña, desarrolló una variante de la ECJ (vCJD) aproximadamente cinco años después. La forma variante de la ECJ es una forma única de enfermedad priónica que ocurre en una población mucho más joven de lo que se esperaría de la ECJ hereditaria o esporádica. Tanto la EEB como la ECJV comparten muchas características patológicas similares que sugieren un vínculo etiológico entre la ECJV humana y la EEB de ganado bovino.

La proteína supresora de tumores p53 proporciona otro ejemplo de plegado incorrecto de proteínas que puede provocar efectos patológicos, en este caso cánceres (p es para proteína y 53 es para su peso molecular aproximado de 53,000). El gen del p53 se encuentra en el brazo corto del cromosoma 17 (17 p) y codifica para una fosfoproteína de 393 aminoácidos. En muchos cánceres, el gen p53 está mutado y la falta de proteína p53 normal se ha relacionado con el desarrollo de hasta el 40% de los cánceres humanos.

El p53 normal funciona como supresor de tumores y es un factor de transcripción que normalmente participa en la regulación de varios genes necesarios para controlar el crecimiento celular, la reparación del ADN y la apoptosis (muerte celular programada). El p53 normal es un tetrámero y se une al ADN de una manera secuencial específica. Uno de los genes regulados por el p53 produce una proteína conocida como p21, que interfiere con el ciclo celular al unirse a las ciclinas quinasas. Otros genes regulados por p53 son MDM2 y BAX. El gen anterior codifica para una proteína que inhibe la acción de p53 al funcionar como parte de un mecanismo de retroalimentación reguladora. Se cree que la proteína producida por el gen BAX juega un papel en la apoptosis inducida por p53.

La mayoría de las mutaciones de los genes p53 son mutaciones somáticas sin sentido que involucran sustituciones de aminoácidos en el dominio de unión al ADN. Las formas mutantes de p53 son proteínas mal plegadas con conformaciones anormales y la incapacidad de unirse al ADN, o son menos estables. Las personas con el síndrome de Li-Fraumeni (un rasgo autosómico dominante) tienen un gen p53 mutado y un gen p53 normal. Estas personas tienen una mayor susceptibilidad a muchos cánceres, como leucemia, carcinomas de mama, sarcomas de tejidos blandos, tumores cerebrales y osteosarcomas.

Se están realizando ensayos clínicos para investigar si la introducción del gen p53 normal en las células tumorales por medio de terapia génica (Capítulo 23) tiene efectos beneficiosos en el tratamiento del cáncer. Los resultados iniciales de la terapia génica p53 indican que puede reducir el tumor al desencadenar la apoptosis.