Los investigadores resuelven un misterio de hace 50 años: cómo el ácido elimina el agua de las proteínas
La criomicroscopía electrónica revela por primera vez qué aminoácidos retienen agua y cuáles la liberan al acidificarlos
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Las proteínas pierden sistemáticamente su capa protectora de hidratación cuando su entorno se vuelve más ácido. Hasta hace poco esto no era más que una teoría. Las técnicas de imagen más avanzadas han ayudado a los investigadores de la Universidad Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU) a observar directamente este proceso por primera vez a nivel de cada molécula de agua. Con ello se ha dado respuesta a una pregunta de la bioquímica que había permanecido sin respuesta durante 50 años. En un artículo publicado en "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS), el equipo escribe que este conocimiento podría ayudar a desarrollar proteínas más estables.
Las proteínas son las máquinas de la célula y controlan todos los procesos vitales del organismo, desde el crecimiento hasta el metabolismo. Su funcionamiento depende en gran medida de su estructura espacial. Las proteínas están envueltas por una envoltura de moléculas de agua que, a su vez, contribuye a determinar su forma y función. Sin embargo, hasta ahora se sabía poco sobre la interacción precisa entre las proteínas, las moléculas de agua y su entorno. "Ya en 1974, Irwin Kuntz y Walter Kauzmann habían postulado que la disminución de los niveles de pH -en otras palabras, el aumento de la acidificación- altera la envoltura de hidratación de una proteína. Sin embargo, no había pruebas directas de esta hipótesis", explica el profesor de bioquímica Panagiotis Kastritis, de la MLU.
En este nuevo estudio, el equipo de Kastritis utilizó microscopía electrónica criogénica de alta resolución (crio-EM) para estudiar este proceso en detalle. Durante la criomicroscopía electrónica, las proteínas se congelan y se bombardean con un haz de electrones. La señal resultante puede utilizarse para crear imágenes extremadamente detalladas que pueden combinarse para producir modelos tridimensionales. De este modo, se pudo revelar la estructura de la proteína a nivel de unos pocos átomos. Los investigadores estudiaron la proteína apoferritina, que actúa como unidad de almacenamiento de hierro en las células. La observaron a siete niveles de pH diferentes, desde 9,0 (ligeramente alcalino) hasta 3,5 (ácido). Utilizando crioelectrónica de emisión de positrones, cartografiaron individualmente miles de moléculas de agua y siguieron su comportamiento a medida que aumentaba la acidez. Los experimentos se acompañaron de simulaciones por ordenador que corroboraron el comportamiento observado.
"Nuestros datos nos permitieron trazar el movimiento de cada molécula de agua y observar cómo se movía en respuesta a los cambios en los niveles de pH. Nos sorprendió descubrir que había reglas claras: ciertos aminoácidos retienen agua, mientras que otros la liberan. No esperábamos ver esto", dice Ioannis Skalidis, que terminó su doctorado en la MLU y ahora trabaja como investigador en la Universidad de Utrecht. El Dr. Farzad Hamdi, de la MLU, añade: "Somos el primer grupo que consigue aportar estas pruebas con este nivel de detalle mecanicista. Sí, es una teoría antigua, pero no había pruebas directas de ello".
Otros hallazgos son también sorprendentemente precisos: una proteína pierde unas 100 moléculas de agua por cada unidad en que disminuye el pH. Los investigadores pudieron incluso describir el comportamiento de cada uno de los aminoácidos que componen las proteínas. El glutamato y el aspartato son los primeros en liberar sus moléculas de agua cuando se acidifican. Otros retienen las moléculas independientemente del valor de pH, de modo que se mantiene un núcleo interno estable formado por alrededor del 40% del número total de moléculas de agua, independientemente del nivel de pH.
Otro hallazgo inesperado: A medida que disminuye el pH, no sólo cambia la capa de hidratación de la apoferritina, sino también la posición de los iones de hierro unidos. Éstos se alejan gradualmente de su lugar de unión. Se trata de la prueba de un mecanismo estructural por el que el aumento de la acidez puede desencadenar la liberación de iones metálicos de las proteínas, un proceso que interviene, por ejemplo, en la regulación celular del hierro.
Se necesitan otros estudios para determinar si las reglas que se han identificado en el estudio se aplican también a otras proteínas. "Suponemos que este proceso es, al menos, similar para otras proteínas. Estos conocimientos pueden servir para desarrollar proteínas más estables o más tolerantes al pH", afirma Kastritis. Esto podría ayudar a mejorar las enzimas industriales o los sistemas de administración de fármacos basados en proteínas".
El estudio ha sido financiado por la Unión Europea, la Fundación Alemana de Investigación (DFG), el Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR) y el Estado de Sajonia-Anhalt.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Farzad Hamdi, Ioannis Skalidis, Inken Kaja Schwerin, Jaydeep Belapure, Dmitry A. Semchonok, Fotis L. Kyrilis, Christian Tüting, Johannes Müller, Georg Künze, Panagiotis L. Kastritis; "Direct evidence of acid-driven protein desolvation"; Proceedings of the National Academy of Sciences, Volume 123, 2026-3-5
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