Biología de las chaperoninas

José María Valpuesta, Oscar Llorca y Sergio Marco

Muchas proteínas son incapaces por sí solas de alcanzar su conformación nativa. Las chaperoninas son unos complejos proteicos que facilitan el plegamiento adecuado de aquéllas.

"La conformación nativa de una proteína está determinada por la totalidad de sus interacciones atómicas y, por tanto, por su secuencia aminoacídica." En esta afirmación queda enunciada una de las hipótesis que más interés ha suscitado en el campo de la biología molecular en los últimos treinta años, la relativa al plegamiento de las proteínas.

De acuerdo con esa hipótesis, avanzada en 1953 por Christian Anfinsen, la información requerida para que una cadena de aminoácidos se pliegue se encuentra en la propia secuencia. Desde los años veinte, el progreso de la química permitió caracterizar las proteínas como estructuras homogéneas. Además de su tamaño grande, en comparación con los lípidos o los azúcares, las proteínas presentan una notable complejidad. En 1953 Frederick Sanger determinó la secuencia de los aminoácidos componentes de la insulina. Se lograron luego las primeras síntesis de péptidos de interés biológico, las hormonas oxitocina y vasopresina. Se realizaron también las primeras hipótesis sobre los tipos de estructuras que las proteínas pueden adoptar en solución (hélice a, lámina ,B y otras). Se dio un paso más y se vinculó la estructura a la función. Pero, ¿mediante qué mecanismos las moléculas de proteína adoptan la conformación adecuada al objeto de cumplir su función? ¿Cómo se pliegan?.

El principio de autoplegamiento de las proteínas descrito por el equipo de Christian Anfinsen, y los experimentos subsiguientes que demostraron su validez, provocaron una revolución en biología molecular y crearon el nuevo campo que ha dado en llamarse del plegamiento de proteínas. Anfinsen sugería en 1963 que "otra molécula (por ejemplo un anticuerpo, otra proteína o incluso la misma proteína) pudiera influir en el proceso de plegamiento mediante reacciones intermoleculares".

Se comprobó muy pronto que no basta el proceso de autoplegamiento para garantizar el plegamiento de las proteínas in vivo. El plegamiento no es en muchas ocasiones espontáneo, sino que requiere de la interacción entre proteínas ya existentes y de consumo de energía, de ATP. A esas acompañantes moleculares se las llamó "chaperonas moleculares".

Diferentes sistemas de chaperonas moleculares
 Bacterias Levaduras
SistemaNombreFunciónNombre FunciónComportamiento
100ClpATolerancia frente a estrés térmicoHsp 104Tolerancia frente a estrés térmicoCitosol
90HtpGSe une a proteínas desnaturalizadasHsp90Se une a proteínas desnaturalizadas, las pliega o las lleva a su compartimentoCitosol
70DnaKSe une a proteínas recién sintetizadasSSA1-4Se unen a proteínas recién sintetizadasCitosol
   SSB1, 2Se unen a polisomas 
   SSC1Se une a proteínas importadasMitocondria
60GroELSe une a intermediarios de plegamiento. Asiste en el plegamientoHsp60Se une a proteínas importadas. Asiste en el plegamientoMitocondria
   CCTAsiste en el plegamiento de actina y tubulinaCitosol
40DnaJSe une a proteínas desnaturalizadas. Interacciona con DnaKMDE1Interacciona con Hsp70 SSC1Mitocondria
20-25GrpEInteracciona con DnaKMGE1  
10GroESAsiste a GroEL en su actividad plegadoraHsp10Asiste a Hsp60 en su actividad plegadoraMitocondria

Clasificación de la chaperoninas moleculares, parcial y provisional. Nuevas familias se están incorporando continuamente. En la tabla sólo se muestran las chaperonas pertenecientes a procariotas (E. coli) y a eucariotas (levaduras). Muchas de estas proteínas, aunque no todas, son proteínas de choque térmico. Cumplen funciones muy dispares. Las chaperonas moleculares con un peso cercano a los 60kDaltons se denominan chaperoninas.

El término lo acuñó Ronald Laskey en 1978 para describir las propiedades de la nucleoplasmina, una proteína nuclear que interviene en el ensamblaje de los nucleosomas a partir de ADN y de histonas. La nucleoplasmina, una proteína fuertemente ácida, se une transitoriamente a las histonas, con lo que reduce su carga positiva e inhibe la tendencia de éstas a agregarse inespecíficamente con el ADN. Molécula dotada de carga negativa, la nucleoplasmina no proporciona información espacial a las histonas para que se plieguen adecuadamente, ni es un componente estructural de los nucleosomas, pero su interacción con las histonas permite que las propiedades de autoplegamiento de éstas predominen sobre la tendencia a unirse al ADN en razón de sus cargas opuestas. La acción de la nucleoplasmina, fugaz, ni genera ni rompe enlaces covalentes.

Las chaperonas moleculares son proteínas que unen y estabilizan conformaciones inestables de otras proteínas. Mediante uniones y liberaciones controladas, facilitan la conformación nativa de las proteínas o el ensamblaje entre éstas para crear oligómeros. De la familia de las chaperonas forman parte numerosas proteínas de distinta secuencia y diverso peso molecular. Las chaperoninas, en particular, desempeñan un papel muy activo en el plegamiento de proteínas.

Las chaperoninas

Sean Hemmingsen acuñó en 1986 el término chaperonina para designar una familia de proteínas que comparten homología en su secuencia aminoacídica y actúan como chaperonas en cloroplastos, mitocondrias y bacterias. Su peso molecular está en torno a los 60 kilodalton.

La primera chaperonina descrita como tal fue la proteína que se une a la ribulosa bifosfato carboxilasa, RBP (Rubisco binding protein). La enzima Rubisco se encarga de asimilar, a partir de CO2, el carbono por los cloroplastos. El grupo de John Ellis, de la Universidad de Warwick, descubrió que la subunidad grande de la Rubisco tiende a formar agregados insolubles cuando se aísla. Ellis y su equipo encontraron una proteína que se une a la Rubisco e impide su agregación. Puesto que RBP, de 60 kilodalton de peso molecular, no guarda ninguna homología con la nucleoplasmina, se pensó que las dos proteínas constituían casos especiales, ideados ad hoc por la naturaleza para tratar con proteínas oligoméricas (histonas y Rubisco), cuyo plegamiento podía presentar dificultades.

Las chaperoninas moleculares ejercen varios efectos en el plegamiento de las proteínas. Chaperonas de diversos tipos se unen a polipéptidos recién sintetizados en los ribosomas, a protínas que atraviesan las membranas de orgánulos o a proteínas que se han desnaturalizado. Esta unión, en un número elevado de casos, desempeña un papel protector y evita que las protínas alcancen un estado de agregación irreversible. Sin negar que las chaperonas intervengan de forma directa en el plegamiento de las proteínas, en la mayoría de los casos parecen transportar los polipéptidos desnaturalizados hasta las chaperoninas, donde se pliegan.

En 1986, Hugh Pelham, del Laboratorio de Biología Molecular de Cambridge, lanzó la hipótesis de que RBP, la nucleoplasmina y otras proteínas asociadas a estados de choque térmico o de aumento de temperatura celular (hsp, heat shock proteins) actuarían como chaperonas moleculares; sugirió también que el mecanismo de plegamiento podría ser un fenómeno común en la naturaleza. Las técnicas de comparación de secuencias respaldaron su hipótesis. La proteína que se une a la ribulosa bifosfato carboxilasa manifestaba una homología del 50% con la secuencia de GroEL, una proteína de E. Coli indispensable en la morfogénesis de ciertos bacteriófagos.

El descubrimiento de la homología entre RBP y GroEL provocó otros muchos ensayos parecidos a los que Anfinsen realizó tres décadas antes: las proteínas se desnaturalizan mediante la urea y se renaturalizan en presencia de GroEL. Este tipo de experimentos mostró que, para un elevado número de proteínas, la presencia de GroEL, en el peor de los casos, acelera el proceso de plegamiento que se produce en ausencia de ella, mientras que en el mejor de los casos resultaba imprescindible para el plegamiento de la proteína.

Al mismo tiempo que se descubría la homología entre Rubisco y GroEL, se observó que los anticuerpos generados contra GroEL reaccionan también contra una serie de proteínas de choque térmico y de peso molecular cercano a 60 kilodalton, pertenecientes a mitocondrias de plantas, levaduras y células animales. Esas proteínas intervienen en el plegamiento de proteínas importadas del citosol y presentan, además, una estrecha homología de secuencia con Rubisco y GroEL.

Las chaperoninas ayudan al plegamiento de proteínas, lo mismo en situaciones normales que en condiciones de estrés. Ese fenómeno contrasta con la tendencia observada en muchas proteínas celulares a desnaturalizarse. De ese modo adquirió, a ojos de la ciencia, un significado más amplio la función de las acompañantes moleculares. Pero ni todas las proteínas de estrés térmico son chaperoninas ni todas las chaperoninas son proteínas de estrés térmico; así, mientras GroEL ve aumentada su expresión cuando E. coli sufre un choque térmico, las chaperoninas cloroplásticas no se activan con el calor.

La familia de las chaperoninas se cierra por ahora con el descubrimiento de un segundo tipo que se encuentra en arqueobacterias y en el citosol de organismo eucariotas. A ella pertenecen las chaperoninas termofílicas del tipo TF55 (factor termofílico 55, en referencia a su peso molecular) y la eucariótica CCT (chaperonina que contiene el polipéptido TCP-1). Esta subfamilia de chaperoninas muestra una estrecha homología entre sus miembros y una débil aunque significativa homología con las del primer tipo.

Plegamiento de una proteína desnaturalizada. Se trata aquí de la rodanasa, enzima mitocondrial involucrada en la formación y mantenimiento de las proteínas de transporte electrónico que poseen hierro y azufre. Que se lleve a cabo el plegamieto depende de la presenciade las chaperoninas GroEL y GroES y de ATP. La rodanasa desnaturalizada no posee actividad enzimática (A, línea negra). Ni la presencia de GroEL (línea azul) no la conjunta de GroEL y GroES (línea roja) son capaces de plegar correctamente la rodanasa de manera que vuelva a ser activa; sólo la adición de GroEL, GroES y ATP (línea verde) consigue su plegamiento eficaz.

Se descubrió que CCT es una chaperonina mientras se buscaban homologías de secuencia de la TFSS. Se observó que la proteína TFSS de origen termófilo guarda bastante homología con TCP-I, proteína de función hasta entonces desconocida. Más tarde se conocería que la chaperonina CCT interviene en el plegamiento de la actina y la tubulina. Las chaperoninas extremófilas parecen ejercer una función más inespecífica en el plegamiento de proteínas.

Conviene resaltar una diferencia importante entre chaperoninas del primer y del segundo tipo. Si las del segundo grupo tienden a actuar en solitario, la GroEL y demás chaperoninas del primer grupo actúan en coordinación con una chaperonina de bajo peso molecular (en torno a los 10 kilodalton), a la que se unen en presencia de ATP para formar un complejo estable. Estas proteínas se llaman cochaperoninas, denominándose GroEs a la cochaperonina de GroEL.

Estructura de las chaperoninas

Podemos reducir a tres las funciones principales de las chaperoninas: impedir la agregación de los polipéptidos parcialmente plegados y liberados de los ribosomas, unirse a péptidos parcialmente plegados aunque atrapados en una conformación tal que no pueden plegarse de manera espontánea y, por fin, proteger a las proteínas de la desnaturalización debida a estrés térmico o facilitar el plegamiento si se ha producido la desnaturalización. Compete, pues, a las chaperoninas generar las condiciones adecuadas para un plegamiento correcto de las proteínas desnaturalizadas .

El porcentaje de proteínas renaturalizadas in vitro guarda una relación inversa con la concentración de proteína en el experimento y la temperatura a la que éste se realiza. De ese modo se reduce la probabilidad de interacciones incorrectas. En la célula, sin embargo, la concentración de proteína total es, al menos, dos órdenes de magnitud mayor que en los experimentos de plegamiento in vitro, concentración que fomenta el "apelotonamiento molecular" y, por tanto, las interacciones incorrectas.

Nuestro conocimiento de la estructura de las chaperonina ha avanzado con el desentrañamiento de GroEL de E. coli, un oligómero constituido por catorce subunidades que, juntadas en sendos heptámeros anulares idénticos, conforman un toroide. Observados al microscopio electrónico de transmisión, los anillos del toroide encierran dos cavidades, conectadas a través de un canal de pequeño grosor. Aunque la morfología de "toroide de doble anillo" es compartida por todas las chaperoninas, las de eubacterias y de orgánulos eucariotas difieren de las chaperoninas de arqueobacterias y del citosol eucariota en su simetría y composición. Las chaperoninas de eubacterias y de orgánulos eucariotas dibujan tetradecámeros compuestos por una o dos subunidades distintas, mientras que las chaperoninas de arqueobacterias y del citosol eucariota forman hexadecámeros u octadecámeros que constan de una o varias (hasta ocho) subunidades distintas.

La cochaperonina GroES complementa la estructura de las cochaperoninas. Está constituida por un heptámero de la proteína del mismo nombre. En presencia dé GroEL y de algún nucleótido (ATP, ADP o incluso algún análogo no hidrolizable de ATP), el oligómero se une a GroEL y tapa la cavidad de uno de sus anillos.

La cristalografía de rayos X vino en ayuda de la biología, permitiéndole descifrar la relación entre estructura y función de las chaperoninas. Los grupos de Arthur Horwich y Paul Sigler, de Yale, han sacado a la luz los dominios funcionales de GroEL. En el monómero de GroEL se distinguen tres regiones definidas. Hay un dominio ecuatorial, donde encontramos la mayoría de los aminoácidos responsables de la interacción con las subunidades del mismo anillo y todos los responsables de la interacción con las subunidades del otro anillo. Reside en ese mismo dominio la zona de unión a la molécula de ATP, molécula que es decisiva para el mantenimiento del ciclo de funcionamiento de la chaperonina.

Un segundo dominio, el apical, forma el techo de la cavidad de cada anillo. En la boca de la cavidad se aloja un grupo de aminoácidos hidrófobos, implicados en la unión de GroEL con el sustrato desnaturalizado y con GroES. El tercero, o dominio intermedio, pone en contacto el dominio ecuatorial con el apical y a modo de bisagra, permite los grandes movimientos que se producen en el dominio apical durante el ciclo de funcionamiento de la GroEL.

Muestra en la que se han incubado chaperoninas GroEL y GroES en presencia de ATP. GroEL es un oligómero formado por 14 subunidades de una sóla proteína, dispuestas en dos anillos heptaméricos, y con una estructura cilíndrica. Al microscopio electrónico GroEL posee dos tipos de vistas. En una de ellas, la llamada frontal (1), GroEL semeja una rosquilla con una cavidad en el centro de la partícula. En la otra vista, denominada lateral (2), se observan en la partícula cuatro bandas o estrías; cada par de las mismas corresponden a uno o dos anillos del oligómero. La vista frontal y lateral de GroEL corresponden al cilindro dispuesto de manera vertical y horizontal, respectivamente, sobre la rejilla del microscopio electrónico, pero detectable cuando está unido a GroEL. En presencia de nucleótidos de adenina, GroES se une al extremo de uno de los anillos de GroEL en forma de caperuza (3). El complejo GroEL-GroES se denomina asimétrico. En condiciones fisiológicas y en presencia de ATP, un oligómero de GroES se une a cada uno de los anillos de GroEL (4) y el simétrico forman parte del ciclo de plegamiento de GroEL.

Se ha determinado también la estructura atómica de GroES. Ese nivel de resolución lo ha conseguido el grupo de Johan Deisenhofer en la Universidad de Texas. El heptámero desarrolla una cúpula que, al unirse a GroEL, tapa la cavidad del anillo. La región que interacciona con GroEL está formada por un grupo de residuos hidrofóbicos carentes de estructura secundaria.

Gracias a los trabajos del grupo de Helen Saibil, del Colegio Birbeck de Londres, y el de nuestro laboratorio, conocemos los cambios conformacionales que experimenta la estructura de GroEL cuando interacciona con ATP o con GroES. Dichos cambios estructurales tienen que ver con movimientos del dominio apical con respecto al dominio ecuatorial. La adición de ATP a GroEL genera un movimiento del dominio apical hacia el exterior y hacia arriba, que produce una apertura de la boca del anillo y del volumen de la cavidad. Para que GroES se una a GroEL se necesita, como condición previa, el cambio conformacional inducido por el nucleótido.

La utilización de varios tipos de nucleótidos y de diversas concentraciones de éstos ha permitido observar los numerosos cambios conformacionales que sufren los dos anillos de GroEL y, con ello, una caracterización más completa de los cambios estructurales ligados al ciclo funcional de las chaperoninas.

Estos estudios han permitido mostrar que los dos anillos del toroide no se comportan de igual manera ante la unión de nucleótidos, sustrato y GroES.

Reconstrucción tridimensional de GroEL y de los distintos complejos formados por GroEL y GroES. Cada uno de los dos anillos de GroEL posee una cavidad a la que se accede por su extremo. Este extremo cambia su morfología cuando se une a él GroES (complejo GroES-GroEL), de tal manera que la cavidad se hace más grande. La unión de GroES a los dos anillos de GroEL para formar el complejo simétrico GroEL-GroES (GroEL-GroES2) promueve el mismo cambio en los dos anillos.

La unión entre nucleótidos y GroEL muestra una cooperatividad positiva con el primer anillo y, negativa, con el segundo. Cuando se añade ATP a una solución de GroEL, el nucleótido se une rápidamente a uno de los dos anillos. La unión de ATP a los siete monómeros de un anillo modifica la configuración de éstos de tal manera que el nucleótido no se une con la misma facilidad a los siete monómeros del segundo anillo. Además, la unión de ATP al segundo anillo genera otra señal hacia el primero, que sirve para mantener el ciclo en funcionamiento. Existe, pues, una intercomunicación entre los dos anillos.

La unión entre el nucleótido ATP y uno de los anillos de GroEL permite el engarce de GroES en GroEL. De esto resulta un complejo asimétrico, porque sólo uno de los dos anillos tiene unido un oligómero de GroES. Durante cierto tiempo se pensó que el complejo GroES-GroEL era la única forma de unión de entrambos. Pero en 1994, y de manera independiente, cuatro grupos, incluido el nuestro, descubrieron que, en presencia de ATP o de AMP-PNP (un análogo no hidrolizable de ATP), GroES se enlaza simultáneamente a los dos anillos de GroEL y forma un complejo simétrico GroEL-GroES. Los complejos simétricos producidos en presencia de ATP son inestables; aparecen y desaparecen continuamente. El nucleótido ATP se hidroliza y se libera de GroEL, lo que posibilita el desarrollo incesante del ciclo.

De la estructura de muchas otras chaperoninas carecemos de información a resolución atómica. Mediante microscopía electrónica y técnicas de procesamiento digital de imagen podemos obtener su estructura a baja-media resolución (20 A). La comparación de sus secuencias revela que la homología más estrecha se concentra en el dominio de unión a ATP, mientras que la región de mayor variabilidad corresponde al dominio apical. Situación razonable, si consideramos que las chaperoninas comparten seguramente el mecanismo básico de funcionamiento, del que forma parte el dominio de unión a ATP, y difieren en el reconocimiento del sustrato a plegar, en el que tiene un papel primordial el dominio apical.

Función de las chaperoninas

El mecanismo plegador de las chaperoninas opera de un modo pasivo. Sostienen algunos que el sustrato se pliega dentro de la cavidad de GroEL; ello exige que el sustrato se una primero al dominio apical de GroEL. Pero, en cuanto GroES interacciona con GroEL, el complejo arroja al sustrato dentro de la cavidad del anillo de GroEL. En ese modelo, la cavidad funciona como una caja de Anfinsen en la cual el polipéptido alcanza su conformación natural ("nativa").

Opinan otros que el polipéptido, una vez libre en la cavidad de GroEL, no alcanza allí su conformación natural, sino otra precursora, que es la que presentaría cuando aparece en el exterior. Podría entonces adquirir allí su adecuada conformación en un primer intento; si no lo consigue, se uniría otra vez a GroEL donde se sometería a un nuevo ciclo de liberación en la cavidad y posteriormente al exterior de ella.

A tenor de los experimentos, las dos hipótesis podrían ser correctas. En razón del sustrato a plegar, operaría un mecanismo u otro. Pero ¿cuál es el mecanismo por el que la chaperonina reconoce el sustrato desnaturalizado?

Clasificación de las chaperoninas
ChaperoninaOrganismoLocalizaciónSustrato
conocido
Homología con respecto a:Nº de subunid en cada anillo Nº subunid diferentesCochape-
ronina
GroELTF55
Grupo I        
GroELEubacteriasPlasma40% proteínas sintetizadas---Débil71GroES
mt-cpn60EucariotasMitocondriaProteinas mitocondriales importadas50%Débil71mt-cpn10
RBPPlantasCloroplastoSubunidades de la rubisco50%Débil72ch-cpn10
         
Grupo II        
TF55ArqueobacteriasPlasmaLa mayor parte de las proteínas celularesDébil---92No
TermosomaArqueobacteriasPlasmaLa mayor parte de las proteínas celularesDébil60%82No
CCTEucariotasCitosolActina, TubulinaDébil40%88-9?

Características y propiedades de las chaperoninas de tipo I y de tipo II. Las chaperoninas de tipo I son de origen procariota y simbionte, como las mitocondriales y cloroplásticas; de origen eucariota o procedente de arqueobacterias, las de tipo II. En presencia de sustrato, éste se introduce en la cavidad de las chaperoninas. A la derecha se pueden observar imágenes promedio de vistas frontales y laterales de los dos tipos de chaperoninas

Aunque se creyó en un principio que el dominio apical de las chaperoninas reconoce segmentos de estructura secundaria del tipo a-hélice, los ensayos posteriores han demostrado que también se reconoce la estructura de lámina b. Se requiere, en cualquier caso, la presencia, en los polipéptidos desnaturalizados, de zonas con aminoácidos hidrofóbicos expuestos en la superficie. Los residuos aminoacídicos del dominio apical de GroEL involucrados en el reconocimiento del sustrato plegable son también hidrofóbicos. La liberación del sustrato en la cavidad, al forjarse el complejo GroES-GroEL, podría hacer que los residuos hidrofóbicos del polipéptido, libres del riesgo de interaccionar con los de otros polipéptidos, se convirtiesen en factor de nucleación alrededor del cual comenzase su plegamiento.

En el plegamiento, el sustrato desnaturalizado se une al dominio apical; GroES se engarza en éste y lo desplaza hacia la cavidad. Allí lo suelta. Pero, ¿en virtud de qué mecanismo se deshace GroES del sustrato? ¿Cuál es el motor del ciclo de plegamiento? La respuesta está en la hidrólisis de ATP y en los consiguientes cambios conformacionales y señales entre los anillos que genera el nucleótido.

La energía liberada en la hidrólisis de ATP no se transmite al sustrato renaturalizable, sino que se utiliza para mantener un ciclo de cambios conformacionales concertados entre los dos anillos. En 1994, el grupo de Arthur Horwich, en Yale, indujo numerosas mutaciones en los aminoácidos del dominio ecuatorial involucrados en la interacción entre los anillos. Y produjo un oligómero de GroEL formado por un solo anillo. Este anillo, capacitado para unir nucleótidos, sustrato y GroES, se muestra incapaz de liberar este último y, por tanto, tampoco el sustrato. Aunque los monómeros del anillo hidrolizan el ATP, no se libera la GroES. Ahora bien, en cuanto se desprende la cochaperonina, el sustrato aparece correctamente plegado.

Cada anillo de GroEL constituye una unidad funcional de plegamiento. Sin embargo, para que el oligómero de GroES se libere, se requiere una señal procedente del otro anillo. De ello se desprende que ambos anillos deben de operar de común acuerdo.

La chaperonina GroEL persiste asimétrica a lo largo de todo el ciclo. No se trata sólo de una asimetría estructural (los dos anillos tienen distinta estructura en todo momento), sino también funcional: en cada momento del ciclo, difiere la afinidad de cada anillo por el ATP o por el sustrato.

Para hacernos una idea general del comportamiento de la GroEL, GroES y el sustrato, imaginémonos un oligómero de la chaperonina GroEL en ausencia de nucleótidos (situación que no ocurre in vivo). El polipéptido desnaturalizado reconoce el dominio apical de uno de los dos anillos y se une a él; y aunque puede enlazarse también con GroEL en presencia de nucleótidos, posee más afinidad hacia GroEL en ausencia de éstos.

Comparación de las estructura de GroEL obtenidas por microscopía electrónica y difracción de rayos X en la que se observa cómo las dos técnicas, cada una a su nivel de resolución, reflejan los mismos detalles estructurales. En (a) se presenta la reconstrucción tridimensional de un complejo asimétrico GroEL-GroES obtenida por microscopía electrónica y procesamiento de imágenes, mientras que en (b) se muestra la proyección de toda la masa del mismo complejo. En (c) se observan las estructuras de los monómeros de GroEL y GroES obtenidas mediante difracción de rayos X. En los tres casos, la cochaperonina GroES se visualiza como el disco que tapa la cavidad superior del oligómero de GroEL.

El ATP se inserta en el sitio de unión de cada monómero de un anillo. La unión y posterior hidrólisis del ATP genera dos señales. Una se dirige al dominio apical, que sufre un movimiento hacia fuera y hacia arriba al pivotar sobre la bisagra formada por el dominio intermedio. Gracias a esa modificación estérica, puede engarzarse un oligómero de GroES y producirse un mayor movimiento del dominio apical hacia arriba. La unión de GroES desplaza al polipéptido hacia el interior de la cavidad; allí lo suelta. La segunda señal se transfiere, a través del dominio ecuatorial, al otro anillo. La unión de GroES a este segundo anillo forma un complejo simétrico, que puede mantener encerrado un polipéptido en cada cavidad.

El complejo así constituido, muy inestable, no tarda en desaparecer. La unión del ATP en el segundo anillo envía una señal al primero para que el oligómero de GroES se libere, con lo cual el polipéptido puede salir al medio, ya sea plegado en su conformación nativa o bien dispuesto a alcanzarla en el exterior. Este anillo, tras soltar luego el ADP y el fosfato inorgánico producto de la hidrólisis de ATP, se halla listo para unir otra vez sustrato, ATP y GroES y continuar así el ciclo funcional.

En ninguna fase del ciclo coinciden los anillos. Mientras uno atrapa al polipéptido desnaturalizado, el otro ya lo ha liberado en su cavidad. GroEL funciona como un motor de dos cilindros en el que el combustible es el ATP y su movimiento se produce por la hidrólisis del nucleótido.

También en la chaperonina mitocondrial y cloroplástica rige, así parece, el mecanismo de funcionamiento descrito. Distinto pudiera ser el caso de la chaperonina CCT, dada su especificidad para con la actina y la tubulina. Hemos observado en nuestro laboratorio que, en una suerte de mecanismo de plegamiento parecido a GroEL, la chaperonina CCT atrapa la actina desnaturalizada, que se instala en la cavidad central de la chaperonina. La unión de ATP a las subunidades del anillo a la que la actina se ha unido genera un cambio conformacional en la chaperonina que permite el plegamiento de la actina. En este caso, y a diferencia de GroEL, ciertas subunidades pudieran tener un papel específico en el ciclo de plegamiento.

Quedan varios aspectos por resolver. De entrada, el tamaño de la cavidad de los anillos de las chaperoninas. En GroEL y otras chaperoninas la hendidura admite proteínas de hasta 55 kilodalton de peso molecular, más o menos desplegadas. Pero, ¿qué ocurre con proteínas de mayor tamaño? Se ignora también la cantidad de sustrato que en un momento determinado puede plegar la población de GroEL de una célula. Se ha sugerido que GroEL, in vivo, sólo puede plegar el 10% de las proteínas que requieren de ayuda en tal menester. ¿Quién pliega el 90% restante de proteínas?

Mecanismos de defensa celulares

Las chaperoninas protegen, pues, la función y la estructura de las células a través de la protección de sus componentes. Pero su misión no acaba aquí. En mamíferos, las chaperoninas podrían defender de las infecciones mediante el envío de señales al sistema inmunitario, del que son uno de los más potentes estimuladores. La estimulación procede en dos frentes; en un primer nivel, las chaperoninas activan los mecanismos innatos de defensa, puestos en operación por los fagocitos. En un segundo frente, las chaperoninas actúan sobre los mecanismos de defensa adquiridos, mediante la estimulación de la producción de anticuerpos y linfocitos T.

Cambios conformacionales que sufre GroEL durante el ciclo de plegamiento. Compárense las imágenes que se muestran en B, obtenidas por microscopía electrónica y procesamiento de imágenes, con la estructura de los dos monómeros de GroEL mostrados en A, obtenida por difracción de rayos X. Cada monómero pertenece a un anillo del oligómero de GroEL. Los cambios conformacionales se generan por la unión de ATP al sitio de unión del ATP  de los siete monómeros de un anillo a la vez. La señal se transmite desde allí en dos direcciones: una hacia al dominio apical a través del dominio intermedio, la otra va hacia el monómero del otro anillo con el que está interaccionando, a través de los puntos de contacto 1 y 2. De esta manera, los cambios conformacionales que se producen en un anillo afectan al otro, por lo que ambos anillos actúan de manera concertada. Si partimos de un oligómero de GroEL que no tiene nucleótido (a), la unión de ATP a uno de los anillos genera un cambio conformacional de éste (b). La unión de GroES a los dominios apicales de este anillo genera un movimiento de los dominios apicales del anillo aún mayor (c), con la consiguiente apertura de la cavidad del anillo. Si se añade al oligómero de GroEL una cantidad mayor de ATP, se produce un cambio conformacional de los dominios apicales de ambos (d). La adición de Groes produce primero un complejo asimétirco GroEL-GroES (e) y luego un  complejo simétrico.

En ese mismo marco de la defensa, las chaperoninas se relacionan con los factores de crecimiento en los mamíferos. El factor temprano de la gestación ("Early-pregnancy factor"), que aparece en el suero materno a las pocas horas de la fecundación, interviene en la proliferación celular, posee propiedades inmunosupresoras y regula el crecimiento de todo tipo de células, normales o neoplásicas. Además, su acumulación en las plaquetas denuncia su participación en los procesos de cierre de heridas. Se ha sugerido también su implicación en los mecanismos de inflamación.

El factor temprano de la gestación, con tan numerosas propiedades biológicas, ha resultado ser la cochaperonina mitocondrial mt-cpn 10, ayudante de la chaperonina mitocondrial en el plegamiento de proteínas. Del estudio del papel de las chaperoninas en los mecanismos de defensa celular podrían generarse en el futuro aplicaciones médicas de este tipo de proteínas.

Aspectos biotecnológicos de las chaperoninas

La producción industrial de proteínas constatuye un fenómeno en expansión creciente. El sector alimentario y el farmacéutico promueven la expresión de proteínas en organismos diferentes de los que se encuentran en la naturaleza, por lo común, bacterias, levaduras o células eucarióticas. Se consigue este resultado mediante la introducción del gen que cifra la proteína deseada en el organismo huésped.

Sin embargo, este procedimiento no se halla exento de problemas, siendo el más espinoso la falta de reconocimiento por parte del organismo de la proteína que está expresando, lo que da lugar a los cuerpos de inclusión. Así se llaman los agregados de proteína, insolubles, aunque en algunos casos se solubilizan con urea u otros agentes desnaturalizantes.

El ciclo de plegamiento de GroEL podría ser muy parecido a éste. Una molécula de proteína desnaturalizada se une a los dominios apicales de un anillo de GroEL (anillo de abajo en 1). El oligómero está representado por un complejo asimétrico, en el que en el anillo de arriba hay una molécula desnaturalizada protegida por un oligómero de GroES. Este anillo ha hidrolizado su ATP de tal manera que ahora posee moléculas de ADP (D) en todos sus monómeros. 

Pero la técnica de la solubilización no es ni barata, ni rápida ni siempre segura. En muchos casos, el problema de la insolubilidad de la proteína sobreexpresada se ataja con el aumento de chaperoninas nativas o la expresión contemporánea de chaperoninas nativas y foráneas.

De interés biotecnológico es la generación de chaperoninas híbridas, dotadas con propiedades de las progenitoras; por ejemplo, chaperoninas construidas con la eficacia e inespecificidad plegadora de la GroEL de E. coli y la estabilidad de una chaperonina proveniente de un organismo extremófilo.

En el estudio del plegamiento de proteínas acaban de hacer su entrada las minichaperonas. El grupo de Alan Fersht, de la Universidad de Cambridge, ha conseguido, mediante la eliminación del dominio ecuatorial y el intermedio, generar un monómero estable de GroEL en el que sólo se encuentra el dominio apical; en este dominio se mantiene intacta la zona de interacción con el poli- péptido desnaturalizado. La minichaperona posee capacidad para plegar proteínas (no todas) sin necesidad de hidrólisis de ATP. El grupo de Fersht, tras unir la minichaperona a una resina de cromatografía, ha renaturalizado las proteínas mediante el paso de éstas por una columna empaquetada con el complejo resina- minichaperona.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA

PROTEIN FOLDING IN THE CELL: THE ROLE OF MOLECULAR CHAPERONES HSP70 AND HSP60. F. U. Hartl, J. Martin y W. Neupert en Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, vol. 21, páginas 293-322, 199l.

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