Las chaperonas químicas son una clase de moléculas pequeñas que funcionan para mejorar el plegamiento y/o la estabilidad de las proteínas. Las chaperonas químicas son un grupo amplio y diverso de moléculas y pueden influir en la estabilidad de las proteínas y la organización de los polipéptidos a través de una variedad de mecanismos. Las chaperonas químicas se utilizan para una variedad de aplicaciones, desde la producción de proteínas recombinantes hasta el tratamiento del plegamiento incorrecto de proteínas in vivo .
Hay muchas moléculas pequeñas diferentes que pueden funcionar para mejorar la estabilidad y el plegamiento de las proteínas; muchas de ellas pueden agruparse ampliamente en clases grandes según su estructura y su mecanismo de acción propuesto. Los parámetros que definen estos grupos no están estrictamente definidos y muchas moléculas pequeñas que ejercen un efecto de acompañante químico no caen fácilmente en una de estas categorías. Por ejemplo, el aminoácido libre arginina no se define clásicamente como chaperona química, pero tiene un efecto antiagregación bien documentado. [1]
Los osmolitos celulares son pequeñas moléculas polares que las células sintetizan o absorben para mantener la integridad de los componentes celulares durante períodos de estrés osmótico u otras formas de estrés. [1] Los osmolitos tienen una estructura química diversa e incluyen polioles, azúcares, metilaminas y aminoácidos libres y sus derivados. Ejemplos de estos incluyen glicerol , trehalosa , n-óxido de trimetilamina (TMAO) y glicina . [2] A pesar de ser más activos en concentraciones relativamente altas, los osmolitos no muestran ningún efecto sobre los procesos celulares normales; por esta razón, también se les conoce comúnmente como "solutos compatibles". [1] Los osmolitos ejercen sus efectos acompañantes indirectamente al cambiar la interacción de la proteína con el solvente, en lugar de a través de una interacción directa con la proteína. Las interacciones desfavorables entre proteínas y osmolitos aumentan la solvatación de la proteína con agua. Este aumento de hidratación favorece conformaciones polipeptídicas más compactas, en las que los residuos hidrófobos están más estrechamente secuestrados del disolvente polar. Por lo tanto, se cree que los osmolitos funcionan estructurando intermedios parcialmente plegados y estabilizando termodinámicamente las conformaciones plegadas en mayor medida que las conformaciones desplegadas. [2]
Los compuestos químicos que tienen diversos grados de hidrofobicidad y que aún son solubles en ambientes acuosos también pueden actuar como acompañantes químicos. Se cree que estos compuestos actúan uniéndose a segmentos hidrófobos expuestos al disolvente de proteínas desplegadas o plegadas incorrectamente, “protegiéndolas” así de la agregación. El 4-fenilbutirato (PBA) es un ejemplo destacado de este grupo de compuestos, junto con los ácidos lisofosfatídicos y otros lípidos y detergentes. [3]
Otra clase de chaperonas está compuesta por ligandos de proteínas, cofactores, inhibidores competitivos y otras moléculas pequeñas que se unen específicamente a ciertas proteínas. Debido a que estas moléculas son activas sólo sobre una proteína específica, se las conoce como chaperonas farmacológicas. Estas moléculas pueden inducir estabilidad en una región específica de una proteína a través de interacciones de unión favorables, que reducen la flexibilidad conformacional inherente de la cadena polipeptídica. [2] Otra propiedad importante de las chaperonas farmacológicas es que pueden unirse a la proteína desplegada o plegada incorrectamente y luego disociarse una vez que la proteína está plegada adecuadamente, dejando una proteína funcional. [1]
Además de las aplicaciones clínicas, las chaperonas químicas han demostrado ser útiles en la producción in vitro de proteínas recombinantes.
La expresión recombinante de proteínas en Escherichia coli a menudo da como resultado la formación de agregados de proteínas insolubles llamados cuerpos de inclusión . Estos cuerpos proteicos requieren replegarse in vitro una vez extraídos de las células de E. coli con un detergente fuerte. Se cree que las proteínas se desdoblan durante el proceso de solubilización y la posterior eliminación del detergente mediante dilución del análisis permite su replegamiento. Durante la eliminación del desnaturalizante se emplean a menudo tanto potenciadores del plegamiento como supresores de la agregación para facilitar el plegamiento a la estructura nativa y evitar la agregación. Los potenciadores del plegamiento ayudan a las proteínas a asumir la estructura nativa lo antes posible cuando la concentración de detergente se reduce drásticamente de inmediato, como en el proceso de dilución. Por otro lado, los supresores de la agregación evitan que los intermediarios del plegamiento de proteínas se agreguen incluso después de una exposición prolongada a un nivel intermedio de detergente, como se observa en la diálisis. Por ejemplo, se ha informado que la taurina aumenta significativamente el rendimiento del replegamiento in vitro de anticuerpos de fragmentos Fab . [1]
El descubrimiento del efecto de las chaperonas químicas sobre el plegamiento de proteínas condujo a la expresión de proteínas periplásmicas, especialmente para aquellas que requieren un entorno oxidativo para formar enlaces disulfuro para un plegamiento adecuado. El plegamiento de proteínas que es difícil de realizar en el citoplasma puede mejorarse en el periplasma, donde la presión osmótica puede controlarse fácilmente. La presión osmótica del espacio periplásmico puede alterarse simplemente cambiando la del medio a medida que los osmolitos penetran libremente en la membrana externa. Las proteínas se secretan en este espacio cuando se une una secuencia señal apropiada a su terminal. Un buen ejemplo de mejora del plegamiento por expresión periplásmica es la variante del activador del plasminógeno (rPA) que contiene enlaces disulfuro. Se ha demostrado que el plegamiento de rPA aumenta cuando se añaden potenciadores del plegamiento o arginina al medio de cultivo. [1]
Los halófilos son un tipo de extremófilos que se han adaptado a soluciones salinas extremas. Los halófilos se clasifican en dos categorías: 1) arqueas extremadamente halófilas y 2) bacterias moderadamente halófilas . Las arqueas extremadamente halófilas se han adaptado para requerir altas concentraciones de sal (2,5 M) en el entorno de vida incorporando la alta concentración de sal en la célula. Por otro lado, las bacterias moderadamente halófilas logran vivir en un amplio rango de concentraciones de sal mediante síntesis o incorporación de compuestos orgánicos. Muchas bacterias y arqueas halófilas son fáciles de mantener y su alta presión osmótica celular se ha aprovechado en la producción de proteínas recombinantes. Los entornos celulares de los halófilos se pueden ajustar para adaptarse al plegamiento de proteínas de interés ajustando la concentración de osmolitos en el medio de cultivo. En halófilos se ha informado sobre la expresión y el plegamiento exitosos de la proteína de nucleación Ice, GFP, α-amilasa, nucleótido difosfato quinasa y serina racemasa. [1]
Dado que las chaperonas químicas promueven la conservación de la estructura nativa de las proteínas, se han explorado las posibilidades de desarrollar chaperonas químicas para aplicaciones clínicas para diversas enfermedades del plegamiento de proteínas.
La fibrosis quística (FQ) es una enfermedad resultante de la falta de mantenimiento del nivel del regulador de conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR), que funciona como un canal de cloruro en los tejidos pulmonares. En varios pacientes con FQ se ha encontrado una mutación puntual ΔF508 en la proteína CFTR que interfiere con la maduración de la proteína. Se descubre que el CFTR mutante en su mayoría no logra transportarse a la membrana celular y se degrada en el RE; sin embargo, los que logran llegar a la membrana celular son completamente funcionales. Como resultado, se ha demostrado que varias chaperonas químicas promueven el tráfico de ΔF508 CFTR a la membrana plasmática. [4]
La transtiretina parcialmente desnaturalizada (TTR) puede promover la formación de fibrillas de amiloide en las células, y esta agregación puede provocar toxicidad celular y una variedad de patologías humanas. Se han descubierto muchas moléculas pequeñas inhibidoras de la formación de amiloide TTR que actúan estabilizando cinéticamente el tetrámero TTR. Esto evita eventos de plegamiento incorrecto del monómero al desfavorecer la disociación del tetrámero TTR. [5] Tafamidis es una de esas moléculas pequeñas que ha sido aprobada por varias agencias reguladoras internacionales para el tratamiento de la polineuropatía amiloide familiar por transtiretina. [6]