Ahir dimecres, 19 d’abril va venir Maria Solà Vilarrubias, de l’IBMB-CSIC (Institut de Biologia Molecular de Barcelona) per parlar-nos de l’estructura de la matèria viva. Sabem que la matèria viva està formada per estructures complexes, i que les molècules i els orgànuls de dins les cèl·lules no els podem veure a ull nu, cal que ens aproximem amb tècniques diferents per a conèixer la seva estructura. Quines són aquestes tècniques? Són diferents per a cada tipus d’objecte d’estudi? Què ens expliquen?
Maria és biòloga per la UB, va fer la seva tesi sobre cristal·lografia de proteïnes i va fer una estada post-doctoral a Grenoble. Ara és investigadora del CSIC i té el seu grup de recerca sobre l’estructura de les macromolècules dels mitocondris. En la seva recerca hi participen conceptes i tècniques de diverses disciplines: química, física i biologia, bàsicament.
Com està formada la matèria viva?
La matèria viva és complexa. No és el mateix estudiar un cristall de clorur sòdic (la sal comú) i veure’n l’estructura, que un cristall de proteïnes. Per això Maria va considerar que ens havia de situar conceptualment. I ho va fer!
Les proteïnes, molècules que duen a terme els processos dels organismes, es formen a partir de la informació continguda en el DNA. Els àcids nucleics estan formats només per quatre bases nitrogenades, que segons la seva seqüència indiquen la proteïna que ha de codificar-se.
El codi genètic es guarda en el DNA, i per ser desxifrat es transcriu a una molècula més senzilla, el RNAm (per missatger). Aquesta molècula més àgil serà llegida dins el ribosoma, la màquina de fabricació de proteïnes dins de la cèl·lula. Dins el ribosoma, el codi del RNAm que serveix de motllo d’informació serà llegit pel RNAt (de transferència) que transferirà l’ordre dels aminoàcids que formaran la proteïna.
A la imatge veiem una seqüència d’aminoàcids que va fer Maria prenent com a base el cordill d’una sabata.
Els aminoàcids fonamentals, components de les proteïnes, només en són vint. Cada un d’ells ve determinat per bases nitrogenades, dels àcids nucleics, que es llegeixen de tres en tres. Posteriorment, per la seva funcionalitat, alguns aminoàcids es modifiquen.
Els aminoàcids es caracteritzen per compartir un extrem amino (NH2-) i un extrem carboxil (COOH-), és el tercer extrem on hi ha un altre radical que els identifica i els dóna les propietats exclusives de cadascun d’ells. N’hi ha que són hidrofòbics, que repelen l’aigua, i n’hi ha que són hidròfils, hidrosolubles.
Aquesta propietat és bàsica per la vida, perquè les cèl·lules son un medi aquós. La individualització de les cèl·lules ve donada perquè estan separades unes d’altres per una membrana hidrofòbica. És a dir que una membrana lipídica fa de barrera entre el medi intern i l’extern de la cèl·lula. I separa dues cèl·lules.
La forma de la matèria viva
Com les proteïnes es van formant dins una cèl·lula, que és un medi aquós, a mesura que es van sintetitzant, allargant la molècula de proteïna, les propietats dels aminoàcids faran que s’agrupin d’una manera o una altra. És a dir, que la cadena proteica no es mantindrà allargassada, sinó que els aminoàcids hidrofòbics tendiran a empaquetar-se entre ells, separats dels hidròfils, els quals, en general, tendiran a mantenir-se en la superfície de la proteïna.
És a dir que d’una estructura primària, que és la seqüència de proteïna, tenim un primer plegament que ve donat per les interaccions de la cadena degudes a les propietats dels aminoàcids corresponents. Aquest primer plegament, tridimensional, s’anomena estructura secundària, que bàsicament serà de dues menes, en hèlix alpha, o en làmines beta, segons les forces d’atracció o repulsió entre els aminoàcids. Hi ha també unes formes de nansa que lliguen les dues estructures bàsiques.
Finalment, les estructures secundàries s’empaqueten entre elles segons forces d’atracció o repulsió entre els aminoàcids, formant l’estructura terciària de la proteïna, més complexa i que serà la funcional. Hi ha proteïnes que per ser actives necessiten unir-se i formar un complex, com és el cas de l’hemoglobina. D’aquest nivell d’organització se’n diu estructura quaternària.
L’estructura de la matèria viva
Per estudiar l’estructura de la matèria viva, òbviament cal fer servir tècniques que ens amplifiquin les molècules a les nostres dimensions. No ho podem percebre ni a simple vista ni directament amb lupes.
Una forma d’estudiar-la és mitjançant cristal·lografia. Els cristalls són acumulacions regulars d’àtoms o molècules; en el cas de les proteïnes, les acumulacions ordenades de molècules contenen milers d’àtoms. Així, moltes molècules ordenades en un cristall, amplificaran la informació sobre l’estructura de la matèria de què està composat. I aquesta informació serà detectable per difracció de raigs X.
Per aconseguir que una substància cristal·litzi cal provar en el laboratori amb diferents condicions químiques o tractaments. I, de vegades, costa cristal·litzar, perquè les proteïnes són molècules molt flexibles.
Els cristalls s’estudien a la llum del sincrotró, emprant radiació de raigs X d’alta qualitat, és a dir que són d’una sola longitud d’ona, el feix és molt fi i amb una alta quantitat de fotons. Els fotons travessen el cristall, i quan contacten els electrons de cada àtom de la proteïna, es desvien. Com que la proteïna es replica milers de vegades dins del cristall, les ones dels fotons desviats per les diferents molècules interfereixen entre elles, donant lloc a un patró de difracció de raigs X.
S’obté una informació bidimensional d’una estructura tridimensional. Però prenent moltes imatges a diferents orientacions del cristall s’obtindrà un conjunt de dades a partir de les quals es podrà fer una reconstrucció de l’estructura tridimensional, mitjançant un mapa tridimensional de densitat electrònica, el què han “vist” els fotons.
Dins d’aquest mapa es poden anar incloent els aminoàcids que es coneixen per la seqüència proteica. Així s’obté l’estructura de la proteïna: corroborem l’estructura primària, la secundària, la terciària i la quaternària si és que hem cristal·litzat un complex.
Per a que ens fem una idea, Maria duu una petita reixeta de microscopi electrònic que, en ser travessada per la llum d’un làser projecta la seva estructura en la paret. Molt didàctic!
Aleshores, a l’estructura tridimensional de la proteïna obtinguda gràcies a la llum del sincrotró es poden anar incloent els aminoàcids que es coneixen per la seqüència proteica. Així s’obté un mapa de la proteïna: corroborem l’estructura primària i la terciària.
Maria també ens duu rèpliques de la molècula astacina en tres tipus de models de representació, fetes amb impressores 3D. L’astacina és una proteasa que pertany al sistema digestiu del cranc de riu, i que conté uns uns dos-cents cinquanta aminoàcids.
Els models de la molècula ens permeten de veure què són les hèlix alpha i què les làmines beta, i com llaçades d’aminoàcids les connecten. I també on és el centre actiu, allà on succeeix la funció, que, en aquest cas, requereix una molècula de zenc per a ser funcional.
La forma de les proteïnes ve determinada per la funció que fa. Si és una proteïna que empaqueta, com són les histones, és més globular. Si és un enzim, com l’exemple, té un centre actiu del tipus clau-pany (substrat-centre actiu). Si és una proteïna de transport, com l’hemoglobina, l’estructura és més gran i té una cavitat on hi ha un grup hemo que s’uneix a l’oxigen.
Trobar les formes és un repte en biologia i medicina, ja que una seqüència errònia pot donar una forma errònia i, en conseqüència, una malaltia. Per trobar les formes de les proteïnes s’han concedit premis Nobel. Un dels més coneguts va ser el de Watson i Crick, i dels més i polèmics, pel tracte amb Rosalind Franklin.
L’estudi de les proteïnes es concentra en el Protein data bank, una base de dades pública, que pot ser emprada lliurament. El 2014 va ser l’any de la cristal·lografia, la UAB va fer un recull de premis Nobel donats per la tècnica, alguns d’ells són relacionats amb la biologia.
Maria, què va fer que et dediquessis a estudiar la forma de les proteïnes?
Quan estudiava la carrera, vaig adonar-me que s’estudiava molt el genoma, però no les proteïnes, les molècules que, en el fons, donen la cara, les que fan les accions. I a mi, m’agrada més el fenotip que el genotip. El que dóna la cara.
Un altre factor va ser que em va agradar molt estudiar la cristal·lografia, i precisament perquè no només inclou aspectes de la biologia sino que també de la física (com el fenomen de la difracció de rais X, que em va atraure molt). Així que aquí estic.
Gràcies, Maria!
Més informació a cosir i repuntejar
Alba, una nova forma de mirar la matèria, amb Ramon Pascual (22/10/2015)
L’empaquetament del material genètic, amb Marc Martí-Renom (18/10/2014)
