Enfermedades asociadas al envejecimiento (IV/V): Cuando la muerte significa Vida

Decía Montaigne que quien enseña al hombre a morir, le enseña a vivir. Esta paradoja se ha convertido en una realidad en el estudio de ciertas enfermedades como el cáncer o el Alzheimer: el futuro de un organismo depende de que sus células sepan morir cuando es necesario.

Los sistemas de control de calidad que tienen todas las células de nuestro cuerpo se encargan de revisar los daños producidos en la maquinaria celular (DNA, proteínas, lípidos…). Son sistemas altamente eficientes capaces, por ejemplo, de encontrar un solo error en el DNA entre 15 millones de pares de bases en apenas unos segundos (ver III) o revertir el equivalente a un huevo frito (proteínas agregadas, ver II). La revisión y reparación tanto de DNA como de proteínas dañadas (por rayos UV, radicales libres, temperatura, pesticidas…) es un proceso altamente complejo y del que todavía se desconocen los detalles. Una de las cuestiones más relevantes es la capacidad del sistema de control, tras ciclos de revisión y reparación, para tomar la decisión de que el daño no puede ser reparado.

¿Qué hace una célula cuando decide que no puede arreglar el problema al que se enfrenta?. Suicidarse. Pero no de cualquier manera sino de forma fría, calculada y limpia. Los seres pluricelulares (y quizás también algunos unicelulares) disponen de sofisticados sistemas para que sus células dañadas o enfermas se mueran (ver anexo para detalles) en favor de aquellas que están en perfecto estado. En el caso de las enfermedades en las que se acumulan agregados de proteínas, como las neurodegenerativas, las células intentan aislar el problema en un lado de la célula permitiendo que tras la división solo una de las células hijas se encuentre afectada y finalmente la célula se devora así misma (autofagia) evitando que su contenido pueda dañar a otras células. En el caso del daño al DNA, los sistemas de control informan de que debe detenerse cualquier intento de división, evitando así propagar el problema a su progenie y activan una cascada de eventos que lleva a una muerte elegante que no supone peligro alguno para las células vecinas (apoptosis) que además pueden devorar los componentes que les sean útiles.

Macrófago devorando componentes de una celula apoptótica

Sin embargo, los sistemas de control de calidad y de muerte celular también se dañan con el envejecimiento (cuando más falta hacen) debido a la acumulación de radicales libres (ver I) y otros agentes mutagénicos. Su destrucción (dañando genes o proteínas) es un requisito indispensable para que los tumores progresen (un caso ya comentado es el de p53) y además conlleva la acumulación progresiva de más y más errores. Por eso, muchas de las estrategias para atacar a los tumores es, precisamente, proveer a las células tumorales de las herramientas para que recuperen la capacidad de suicidarse. Pues su inmortalidad, esa incapacidad para comprender que deben morir, es un duro golpe para nuestra esperanza de vida.

Anexo sobre muerte celular

Hasta el momento se han descrito varios mecanismos de muerte o suicidio celular (divididos a su vez en otros subtipos), aunque yo me referiré sólo a 3: la apoptosis, la autofagia y la necrosis. La apoptosis es el ejemplo prototipo de suicidio celular en el que los componentes de la célula son reutilizados por otras células tras su muerte, y aquellos componentes que son tóxicos son «empaquetados». La autofagia es similar aunque la célula utiliza sus propios recursos para «comerse» y destruir sus componentes celulares. Por otro lado la necrosis es un proceso de muerte no programada que libera al exterior componentes celulares que pueden ser tóxicos. Un ejemplo de necrosis es la muerte celular que se puede producir después de una angina de pecho.

 

Referencias:

Foto de célula apoptótica: U.S. National Library of Medicine

 

• Lindner AB, Madden R, Demarez A, Stewart EJ, Taddei F. Asymmetric segregation of protein aggregates is associated with cellular aging and rejuvenation. Proc Natl Acad Sci U S A. 105(8):3076-81 (2008)
• Ravikumar B, Rubinsztein DC. Can autophagy protect against neurodegeneration caused by aggregate-prone proteins? Neuroreport. 15(16):2443-5 (2004)
• Shintani T, Klionsky DJ. Autophagy in health and disease: a double-edged sword. Science. 306(5698):990-5 (2004)
• Rouse J. and Jackson S.P. Interfaces between the Detection, Signaling, and Repair of DNA Damage. Science 26;297(5581):547-51 (2002)

Enfermedades asociadas al envejecimiento (II/V): Desenredando la maraña

(->Sigue de I/V) El efecto del estrés oxidativo nos ha dado una buena visión del alcance que algunos fenomenos celulares tienen sobre la esperanza de vida de un organismo. Existen sin embargo más agentes físicos y químicos que pueden afectar a una célula de manera similar a lo que ocurre con el estrés oxidativo. Ejemplos de estrés celular son también la radiación UV, los cambios de pH (acidificación o basificación), el estrés térmico (aumento de la temperatura), presencia de metales pesados, pesticidas, etc. Al igual que en el caso de las especies reactivas del oxígeno estos tipos de estrés pueden dañar varios componentes celulares: DNA, lípidos y proteínas. Vamos a continuar viendo el efecto de estos factores en las proteínas, ya que conociendo que el estrés oxidativo las daña gravemente y que estos otros factores son igualmente capaces de hacerlo, surge una pregunta interesante: ¿Cómo consigue nuestro organismo proteger y reparar las proteínas dañadas, sus «obreros especializados»?

Desenredando la Maraña

Si alguna vez habeís visto una representación de una célula probablemente os imaginéis un «mar» donde se encuentran los componentes celulares. La realidad es que una célula es más parecida al metro de Tokio en hora punta, para que la esta pueda sobrevivir toda su maquinaria, en especial sus proteínas deben estar en perfecto estado. Un ambiente tan aglomerado conlleva que todas las interacciones tienen que ser altamente especificas y normalmente transitorias. Algunas proteínas deben realizar su trabajo 10000 veces por segundo mientras otras pueden tardar horas en terminar un único ciclo de trabajo. Los errores cometidos son practicamente nulos y las interacciones inespecificas prácticamente inexistentes, algo especialmente paradójico si comprendemos que las proteínas son máquinas con gran movilidad. La solución a este problema viene dada por un conjunto de proteínas llamadas chaperonas (literalmente acompañantes) o proteínas de choque térmico (Hsp: del inglés Heat Shock Proteins). Estás proteínas trabajan en condiciones basales (normales) pero se producen en gran cantidad frente a los estreses antes mencionados, si una célula carece de algunas de estas proteínas su viabilidad en las condiciones de estrés es nula, ya que necesita que las chaperonas protejan y reparen al resto de proteínas dañadas. ¿Pero como se repara a una proteína?

Un posible huevo frito en cada célula

Para entender como se puede reparar una proteínas es indispensable conocer como se estropean. Cuando freimos un huevo, la ovoalbúmina que contiene la clara cambia de un color translucido a blanco (esto lo podemos hacer también usando alcohol, por ejemplo). La razón es que esta proteína se desnaturaliza (Abandonan su estado nativo,natural o correctamente plegado) y se unen formando agregados tan grandes que dispersan la luz visible (por eso el huevo frito es blanco). Estas interacciones se producen porque el calor desorganiza la estructura perfectamente plegada y ordenada de la proteína y expone al exterior partes muy hidrofóbicas que al igual que gotas de aceite en agua tienden a juntarse formando conjuntos cada vez mayores. Imaginaros ahora todos esos factores: pH, temperatura, estrés oxidativo, metales pesados, pesticidas… «presionando» para convertir la célula en un pequeño huevo frito.

Los salvavidas celulares

Desde la creación de una proteína hasta su eliminación las chaperones celulares se encargan de cubrir las zonas hidrofóbicas que se exponen, ayudarlas a plegarse cuando se forman he incluso ayudarlas a cruzar compartimentos celulares. Sin embargo, la capacidad de estas proteínas para mantener la célula sana es limitada y si el estrés es muy fuerte o mantenido en el tiempo la desnaturalización desborda a las chaperonas y la agregación es imparable poniendo en riesgo la vida de la célula.

Este es un problema compartido por todos los organismos pero que en el caso de los humanos tiene especiales implicaciones por su relación directa con el Alzheimer (como se observa en la imagen de la derecha, la aparición de Cuerpos de Lewy o placas amieloides constituidas por un tipo de proteína agregada, fuente American Health Assistance Foundation), el Parkinson, enfermedades prionicas (como Creutzfeld-Jacob) y otras enfermedades neurodegenerativas. Y es que esta demostrado que estas enfermedades son causadas (en gran parte) por proteínas concretas que forman fibras o agregados de una forma caracteristica en cada caso. Estas enfermedades son, por tanto, el resultado de la acumulación de diferentes y repetidos estreses a lo largo de la vida del individuo por lo que según pasan los años las posibilidades de sufrirlas es mayor (sin descuidar, por supuesto, los condicionantes genéticos, que pueden variar enormemente la probabilidad de sufrirlas). Además las proteínas agregadas en estas enfermedades sirven como «semillas» y «moldes» para extender su estado entre las proteínas sanas de forma exponencial.

Ovillos de lana y el gato que juega con ellos

A finales de los años 90, Susan Lindquist, investigadora del MIT descubrió un paso más en este proceso: una chaperona, llamada Hsp104, que era capaz de eliminar agregados y fibras. Algo realmente impresionante, especialmente si tenemos en cuenta que las fibras de proteínas estan siendo estudiadas para hacer nanomateriales por su resistencia similar a la del acero. Más interesante aun era el hecho de que era capaz de revertir esas proteínas dañadas a su estado nativo o natural con capacidad funcional normal.

(Imagen superior: Imagenes de microscopía electrónica de una incubación de Hsp104 con una proteína de tipo prionica, como la de la enfermedad de las vacas locas o el Creutzfeld-Jacob), se observa como las fibras van siendo eliminadas por la acción de Hsp104 . Autor: J. Shorter). 

(Imagen superior: Las proteínas que sufren un estrés pueden desnaturalizarse o plegarse de forma incorrecta, las chaperonas celulares como Hsp70 (A) facilitan el correcto plegamiento. Si las proteínas agregan (B) Hsp104 sola o en  compañia de otras chaperonas se encargan de solubilizar el agregado y renaturalizarlas) Hsp104 es una proteína procendente de levaduras y de la que se han encontrado homólogos (proteínas que realizan la misma función y que son similares en estructura) en plantas, otros hongos y bacterias. Todavía hoy se desconoce cual es la proteína o proteínas que realizan esta función en animales. Descubrirla y saber como actuar sobre la Hsp104 de humanos podría facilitar una herramienta eficaz para luchar contra las enfermedades neurodegenerativas. Ya que estas proteínas parecen capaces de deshacer cualquier maraña.

Referencias y enlaces relacionados

• Protein Misfolding, Functional Amyloid, and Human Disease. Chiti F. & Dobson CM. Annual Review of Biochemistry, 75 (2006)
• Hsp104: A Weapon to Combat Diverse Neurodegenerative Disorders. Shorter J. Neurosignals, 16 (2008)
• Role of Intermolecular Forces in Defining Material Properties of Protein Nanofibrils. Knowles TP et al. Science, 21 (2007)
• Todo sobre el Alzheimer (El Mundo)
• Parkinson Y Alzheimer: de la una a la otra (Medicina.edu)

Enfermedades asociadas al envejecimiento (I/V): Tapando la fuga mitocondrial

Una de cada tres personas desarrollará cancer a lo largo de su vida, más de mil millones de personas en el mundo -no es una errata- sufren algún transtorno del sistema nervioso central (de las cuales 1/3 afectan al cerebro) entre ellas Parkinson, Alzheimer, Huntington… La predisposición genética a sufrirlas y el ambiente -lease alimentación, estilo de vida, habitat…- juegan un papel crucial en el desarrollo de estas enfermedades aunque de desigual manera, pero un factor las une frente al resto: son enfermedades asociadas al envejecimiento: la probabilidad de sufrirlas aumenta con la edad.

Cada vez más, aparecen claves para entender como se desarrollan estás enfermedades, datos que indican que tienen más en común de lo aparente. ¿En que se parece un tumor al Alzheimer?. Intentaré explicarlo aunque necesitaré unos cuantos capítulos de este blog. Para ello solo espero que tengaís en la cabeza un par de ideas básicas: que es una célula y cuales son sus componentes con especial interes en las proteínas.

Capítulo I: Tapando la fuga mitocondrial

La mitocondria es el orgánulo celular encargado de suministrar la energía para la actividad celular para lo que consume algunos compuestos orgánicos y oxígeno, actuando como centrales energéticas. Este orgánulo tiene gran importancia en el envejecimiento celular y como consecuencia en el envejecimiento de los organismos. Este va a ser el punto de partida para intentar comprender como aparecen y se desarrollan una multitud de dolencias y enfermedades.

Estrés oxidativo: cargando las armas

¿Por qué un un elefante vive 20 veces más que un ratón? Parcialmente porque es más grande, pero incluso corrigiendo la masa corporal, los mamíferos con alta actividad metabólica (Alta consumición de oxígeno) como los ratones, envejecen y mueren rápido, mientras que animales con un metabolísmo más lento, como los elefantes, viven más y envejecen despacio.

Aunque la relación inversa entre el metabolismo basal [en reposo] y la longevidad en animales se mantiene de forma general, existen algunas excepciones a la regla. Pájaros, murciélagos y humanos viven varias veces más de lo que su actividad metabólica podría sugerir. La razón radica en la velocidad en la que las especies reactivas del oxígeno (ROS [del inglés Reactive Oxygen Species]) se escapan de la cadena respiratoria mitocondrial, la sucesión de proteínas unidas a la membrana que transfieren electrones desde el NADH [un cofactor que proviene principalmente de la oxidación de los azucares y grasas] al oxígeno. De acuerdo con Gustavo Barja de la Universidad Complutense de Madrid, las palomas generan un décimo de ROS que las ratas y viven 10 veces más aunque sus metabolismos basales sean similares. “La aparición de ROS es tan lento que las palomas no tienen que esforzarse para mantener altos niveles de antioxidantes como las ratas y aun así viven más” comenta Barja. [..] Al expresar una enzima antioxidante como la catalasa (que elimina el agua oxigenada [la forma más normal de encontrar ROS]) en mitocondrias de ratones no solo se aumentaba la vida media y máxima en 5 meses sino que además la aparición de condiciones degenerativas como las patologías cardiacas y las cataratas se había retrasado.

(Extracto traducido de Plugging the mitochondrial Leak, Nick Lane, The Scientist, March 2006. Esquema modificado de Wikipedia)

Como refleja este artículo, la generación de energía en la mitocondria puede producir sustancias peligrosas para un organismo, los ROS. Que se generen una menor cantidad, por poseer un sistema más eficiente (caso de la paloma), o una eliminación artificial, como en el experimento de la Catalasa, incrementa la esperanza de vida del organismo. Pero ¿Por qué son tan peligrosas estas especies reactivas?.

ROS: Balas contra proteínas, lípidos y el DNA

Como su propio nombre indica los ROS son altamente reactivos, esto quiere decir que tienen un gran potencial para afectar de forma incontrolada a otras moléculas, con especial gravedad cuando reaccionan con proteínas y con DNA, pudiendo dañarlos irreversiblemente. Adicionalmente están relacionados con la disminución en el número de mitocondrias, una caracterisitica típica de las células en la vejez. El daño se puede producir gracias a intermediarios, que junto a los ROS son también conocidas como radicales libres. En el caso del DNA pueden generar mutaciones y degenerar en multitud de dolencias incluidos los tumores. Pero de momento nos fijaremos más en las proteínas. Estas moléculas son máquinas muy complejas que llevan a cabo infinidad de actividades dentro de una célula. Si la mitocondria era la central energética celular, las proteínas son los trabajadores especializados. Mantener estas maquinas en perfecto estado es vital para el funcionamiento celular. Si los ROS pueden afectar gravemente a las proteínas ¿no sería razonable pensar que en la evolución han aparecido estrategias para evitar ese daño?

Protegiendose de los efectos de los ROS

Las proteínas estan compuestas por una secuencia aminoácidos que define su estructura y función. Dentro de los aminoácidos los hay más sensibles a ser afectados por radicales libres, en especial uno: la cisteína. Este aminoácido es una diana perfecta para los ROS debido a su composición (Grupo -SH).

Recientemente el grupo dirigido por el Dr. Christian Behl (al que tuve el placer de escuchar hace un par de meses) ha demostrado como se las ingenia la naturaleza para solucionar este problema. El análisis de más de 200 especies animales ha denotado una gran variedad en la frecuencia con la que se utilizan cisteínas en las proteínas codificadas por la mitocondria (Panel derecho: Citocromo C oxidasa de T. solium, un organismo anaeróbico; de humano, con alta esperanza de vida y de C. elegans, un gusano con baja esperanza de vida. En rojo se marca el número de cisteínas, la cuales no suponen un problema para un organismo que no consume oxígeno como el T. solium). Además existe una clara relación inversa entre la esperanza de vida de una especie animal y el % de cisteínas que se codifican en su mitocondria. (Figura inferior, esperanza de vida (lifespan) y el % de cisteinas mitocondriales (mCys) en diferentes especies animales: mamíferos (rojo), pájaros (púrpura), reptiles (azul), anfibios (naranja), peces (amarillo), insectos (cian), crustaceos (rosa) y arañas (marrón)).

Conclusiones

Desde la aparición de una atmósfera rica en oxígeno han pasado más de 2000 millones de años, desde entonces los seres vivos han tenido que «aprender» a convivir con ella y en el caso de los organismos aeróbicos, a utilizarla para aprovechar la energía de multitud de compuestos químicos. Sin embargo, al igual que un motor de combustión, las reacciones de estos procesos no son perfectas y producen fugas en forma de especies reactivas del oxígeno capaces de alterar enormemente el status quo celular. La evolución ha brindado herramientas a los animales para protegerse, ya sea optimizando la utilización del oxígeno en la mitocondria, generando antioxidantes que los capture, o rediseñando sus proteínas para eliminar las dianas clave de este proceso. Como consecuencia, los animales que mejor han sabido adaptarse a esta situación son también los que poseen esperanzas de vida más largas y menor probabilidad de sufrir un amplio espectro de enfermedades.

(Siguiente capítulo: Desenredando la maraña)

Referencias y enlaces relacionados

• Plugging the mitochondrial Leak, Nick Lane, The Scientist (Marzo 2006).
• Extension of murine life span by overexpression of catalase targeted to mitochondria. Schriner SE et al. Science (2005)
• Mitochondrially encoded cysteine predicts animal lifespan. Moosmann B, Behl C. Aging Cell. (2007)
• Control of ROS generation. Bernhard Kadenbach.
• Envejecimiento celular (PortalCiencia. El papel de los telomeros)
• Efectos de los antioxidantes en el envejecimiento celular (monografías.com)