O el plegamiento de las proteínas
Existe una sustancia en los organismos vivos, cuya función es fundamental para la vida. Su nombre viene precisamente del griego proteios, que significa “primordial” o “fundamental”. Hablo de las proteínas.
Los químicos del siglo XIX dividieron las sustancias en dos grandes grupos, según su reacción al calor. Así, las que eran resistentes al calor y que provenían del aire, suelo o agua, fueron llamadas “inorgánicas”. Las combustibles, que se alteraban al ser sometidas al calentamiento, provenían del mundo vivo, y se les llamó “orgánicas”. A partir de ahí, centraron sus estudios en las primeras, investigando los gases inorgánicos hasta llegar a la teoría atómica que conocemos, donde una molécula tenía unas proporciones definidas (por ejemplo, la molécula de agua siempre tenía dos átomos de hidrógeno por uno de oxígeno).
Cuando los químicos comenzaron a analizar las sustancias orgánicas, el dibujo que se les apareció parecía radicalmente distinto: las sustancias podían tener la misma composición y, en cambio, manifestar propiedades muy distintas (por ejemplo, C₂H₆O es la fórmula del etanol, de propiedades fisiológicas muy conocidas al ser ingerido, pero también es la composición del dimetil éter, no apto para el consumo y que se utiliza como combustible). Aquí ya empezamos a vislumbrar la primera pista: en bioquímica (la química de la vida), la función no depende sólo de la composición, sino de la forma en que están dispuestos sus elementos. Desgraciadamente, la composición no explicaba el comportamiento y, además, los análisis no se podían aplicar a moléculas orgánicas grandes (la mayoría), pero las posibilidades de su “distribución” (isomería) eran todavía enormes.
El primer acercamiento a la estructura se hizo todavía en el siglo XIX, enviando rayos de luz no polarizada (que vibra en todos los planos) y que, al atravesar cristales inorgánicos, se transformaba en luz polarizada (en un único plano). Esto interesó en 1844 a un joven Louis Pasteur (tenía sólo veintidós años), que estudió el fenómeno con resultados sorprendentes. Dos químicos, Van’t Hoff y Le Bel continuaron sus estudios y terminaron por sugerir un modelo tridimensional para el Carbono en el que los enlaces se hallaban dirigidos en dos planos perpendiculares entre sí, dos en un plano y dos en el otro. Una buena forma de obtener una imagen de esto es suponer que el átomo de carbono se halla apoyado en tres cualesquiera de sus enlaces (vértices de un tetraedro).
Se descubrieron las valencias de los átomos orgánicos (C, O, H, N…) y que las grandes cadenas sólo podían formarse con átomos de carbono enlazados. Más tarde, el descubrimiento de los dobles y triples enlaces, de la tridimensionalidad, etc, marcó una página y un avance apasionante de la bioquímica, que me llevaría una enciclopedia relatar.
Demos un salto hasta mediados del siglo XX, donde se recogen todos los avances de la química de la vida que comenzaron con sustancias como la clara de huevo (albúmina), una sustancia en la leche (caseína) y un componente de la sangre (globulina), a través de los que se pudieron aislar los primeros aminoácidos (componente básico de las proteínas y otras sustancias como el ADN, ARN, enzimas…). Hoy disponemos de una lista de 20 aminoácidos esenciales.
Pero saltemos a la barrera posterior: la enormidad del tamaño de las proteínas. Con una ultracentrifugadora, los químicos fueron capaces de determinar los pesos moleculares de una serie de proteínas. Las proteínas pequeñas mostraron tener pesos moleculares de sólo unos pocos millares y contener quizás a lo sumo 50 aminoácidos (por supuesto, bastante más que 20). Otras proteínas tenían pesos moleculares de cientos de miles y aún de millones, lo que significaba que debían consistir en miles a decenas de millares de aminoácidos. La albúmina sérica, es una “pequeña” proteína más de 500 aminoácidos, pero ¿cómo se configuran? El número de posibles permutaciones llega a ser de un 1 seguido de 600 ceros.
Una vez conocidas las maneras en que los aminoácidos se entrelazaban surgió una nueva incógnita: su estructura tridimensional. ¿Cuál era la manera exacta en que la cadena de aminoácidos se inclinaba y curvaba? ¿Cuál era la forma exacta de la molécula proteínica? Los trabajos de Perutz y Kendrew con la estructura de la hemoglobina de la sangre les valió el premio Nobel de Química de 1962.
Paralelamente, después de considerarlas erróneamente como proteínas, se estableció que las enzimas eran “catalizadores proteicos”. Un catalizador que se adapta al sustrato como una llave lo hace a la cerradura correspondiente. Por lo tanto, se combinará de forma fácil con aquella sustancia, pero sólo difícilmente, o de ninguna manera, con todas las restantes.
Regresemos al inicio, para evitar perdernos en el detalle: cuando se habla de proteínas en el lenguaje cotidiano, suelen aparecer asociadas a la dieta, al músculo o al rendimiento físico. Sin embargo, desde el punto de vista biológico, las proteínas son algo mucho más trascendente: son las entidades que hacen que la vida ocurra.
Una célula no vive porque tenga ADN, sino porque miles de proteínas están trabajando de manera coordinada en cada instante. Catalizan reacciones químicas, mantienen estructuras, transportan sustancias, detectan señales y responden a ellas. Sin proteínas, el material genético sería un archivo inerte.
Dicho de otra manera, hablar de proteínas es hablar de actividad, no de almacenamiento. Son procesos en acción. Durante décadas, se creyó que las proteínas eran las portadoras de la herencia biológica. Esta hipótesis no era descabellada: las proteínas eran químicamente complejas y funcionalmente activas, mientras que los ácidos nucleicos parecían demasiado simples. No fue hasta mediados del siglo XX cuando los experimentos demostraron que el ADN contenía la información hereditaria. Aun así, el desplazamiento conceptual fue parcial: el ADN explica la herencia, pero las proteínas explican la función.
Para funcionar, una proteína debe adoptar una estructura tridimensional específica. Este proceso se denomina plegamiento. De forma sorprendente, el plegamiento suele ocurrir de manera espontánea y muy rápida, guiado por las interacciones químicas entre los aminoácidos y el entorno celular.
El resultado es una estructura estable que permite a la proteína interactuar selectivamente con otras moléculas. La relación entre forma y función es directa: la actividad de una proteína depende de su geometría molecular.
El plegamiento plantea uno de los grandes problemas científicos del siglo XX: cómo una cadena con un número astronómico de configuraciones posibles encuentra siempre su forma correcta en un tiempo tan corto. Aunque hoy se comprenden muchos aspectos del proceso, sigue siendo un área activa de investigación.
Cuando el plegamiento falla, las consecuencias pueden ser graves. Proteínas mal plegadas pueden perder su función o agregarse de forma anómala, un fenómeno implicado en enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer o el Parkinson.
Las proteínas ocupan una posición singular en la biología: son el punto de encuentro entre la información y la acción. Sin ellas, el ADN no tendría efectos observables. Sin ADN, las proteínas no podrían renovarse ni adaptarse.
El ADN almacena la información genética en forma de secuencia. El ARN actúa como intermediario, copiando y transportando esa información. Las proteínas, finalmente, la convierten en acción. Pero esta relación no es unidireccional ni jerárquica. Las proteínas participan en todos los pasos: regulan la lectura del ADN, modifican el ARN y controlan qué genes se expresan y cuándo. Incluso la estabilidad del material genético depende de proteínas específicas.
Comprender las proteínas es comprender cómo la química se organiza hasta convertirse en biología. No son meros componentes estructurales ni simples productos del código genético. Son máquinas moleculares, activas, transitorias y profundamente contextuales.
En última instancia, la vida no se explica solo por lo que está escrito en los genes, sino por cómo las proteínas leen, interpretan y ejecutan esa información en cada instante.