Los amiloides son grupos de fragmentos de proteínas que se adhieren entre sí para formar fibrillas, como las placas que se ven en el cerebro de los pacientes con Alzheimer. Muchas de estas proteínas se unen a metales como el zinc, pero la estructura de estas proteínas unidas a un metal ha sido difícil de estudiar. La importancia de estos metales para la actividad de los fragmentos de proteínas amiloides sigue siendo una cuestión abierta, que es aún más desconcertante porque algunos amiloides están asociados con la enfermedad, pero otros no.
Un equipo de químicos del MIT, trabajando con investigadores de la Universidad de California en San Francisco (UCSF) y la Universidad de Syracuse, ha descifrado la estructura de un amiloide que se une al zinc. Su enfoque, basado en la resonancia magnética nuclear (RMN), también podría usarse para revelar las estructuras de amiloides adicionales unidos a metal.
«A pesar de que ha habido mucho trabajo estructural a nivel atómico de alta resolución sobre los amiloides por RMN de estado sólido, los investigadores realmente no han estudiado los aspectos vinculantes del metal», dice Mei Hong, profesor de química del MIT y uno de los Altos autores del artículo, que aparece en las Proceedings of the National Academy of Sciences la semana del 29 de mayo.
Los investigadores de UCSF y Syracuse diseñaron la proteína amiloide para catalizar una reacción específica: combinando dióxido de carbono y agua para formar bicarbonato. La estructura recién descubierta del amiloide arroja luz sobre cómo la proteína realiza esta función y cómo ayuda el zinc en la catálisis de reacción.
Determinación de estructuras
Mientras que los amiloides se asocian a menudo con las enfermedades tales como enfermedad de Alzheimer y de Parkinson, otros amiloides tienen funciones biológicas normales.
Los investigadores de la UCSF y de Syracuse dieron a conocer por primera vez su amiloide artificial en 2014. Su objetivo era producir una proteína metálica muy simple que pudiera catalizar una reacción química necesaria para la vida, con la esperanza de demostrar que tales péptidos simples ligados a metales, podrían haber sido precursores de las enzimas modernas. En ese trabajo, demostraron que el péptido, que consiste en siete aminoácidos unidos a un ión cinc, podría catalizar la conversión de dióxido de carbono y agua en bicarbonato tan eficientemente como la enzima anhidrasa carbónica, que realiza esta reacción en las células vivas y también requiere zinc.
«Es plausible que los péptidos muy pequeños que llevan iones metálicos para hacer la química, y la evolución de las actividades enzimáticas pueda haber comenzado a partir de estos pequeños péptidos«, dice Hong.
Los investigadores de UCSF diseñaron su péptido de manera que su sitio activo, donde se produce la reacción química, imitaría el de la anhidrasa carbónica, que tiene un ion de cinc sujeto a tres cadenas del aminoácido histidina. Sin embargo, no conocían la estructura exacta de las fibrillas formadas por su péptido, que es donde Hong y sus colegas del MIT entraron.
Para determinar la estructura, el equipo de investigación utilizó un enfoque de doble basado en la espectroscopía de RMN y la bioinformática, que es un método de utilizar algoritmos informáticos para analizar datos biológicos.
Usando la RMN, los investigadores primero determinaron que los péptidos forman una larga cadena de fibrillas que consiste en capas de estructuras llamadas hojas beta. Dentro de cada hoja beta, cada hebra de péptido tiene dos histidinas que pueden interactuar con la hebra siguiente. Su siguiente objetivo era determinar cómo los iones de zinc encajan en esta estructura de múltiples capas.
La RMN utiliza las propiedades magnéticas de los núcleos atómicos para revelar las estructuras de las moléculas que contienen esos núcleos. En este caso, los investigadores utilizaron la RMN para analizar las señales de los átomos de nitrógeno clave en las cadenas laterales de la histidina que interaccionan con los iones de zinc. Comparando estas señales cuando los amiloides estaban y no estaban ligados al zinc, los investigadores determinaron que la mitad de las histidinas coordinan un átomo de zinc cada uno, mientras que la otra mitad interacciona con dos átomos de zinc cada uno. «La alta concentración de histidinas que unen dos iones de zinc es muy inusual», dice Hong.
Los investigadores también utilizaron la RMN para medir los ángulos de los enlaces que permiten a la histidina interactuar con el zinc, y luego utilizaron la bioinformática para determinar las posibles estructuras compatibles con esas configuraciones. Esto reveló que un átomo de zinc se encuentra entre dos hebras de proteínas beta-amiloide, y está unido a una cadena lateral histidina desde arriba y a dos desde abajo. Esto forma una estructura tetraédrica en la que tres nitrógenos de histidina mantienen el zinc en su lugar mientras que un nitrógeno de histidina permanece sin fijar.
Catálisis temprana
El nitrógeno de histidina no unido es libre de unirse a una molécula de agua, que es necesaria para llevar a cabo la reacción catalizada por el ión cinc. Los colaboradores de Hong en UCSF demostraron previamente que este amiloide cataliza la formación de bicarbonato a una velocidad similar a la de la anhidrasa carbónica, apoyando la teoría de que este tipo de amiloide simple podría haber sido utilizado por las primeras formas de vida para llevar a cabo reacciones importantes.
Hong ahora planea comenzar a estudiar la estructura de los amiloides unidos a metal implicados en enfermedades neurodegenerativas. Se ha demostrado que los amiloides involucrados en las enfermedades de Parkinson y de Alzheimer se unen a los iones metálicos, incluyendo el zinc y el cobre, pero no se conoce cómo estos metales influyen en las enfermedades ni se han determinado sus estructuras.
«Ha habido algunas simulaciones de dinámica molecular para adivinar cómo los metales se unen a estas histidinas, pero no ha habido una alta resolución en la investigación a nivel atómico de la estructura de coordinación», dice Hong.
