Biomateriales


La Química ha aportado tanto conocimientos como materiales al mundo de los biomateriales, con los que fabricar implantes y sustitutos óseos. Los biomateriales se utilizan en la fabricación de implantes y dispositivos que interactúan con los sistemas biológicos y se aplican en diversas especialidades de la medicina y la farmacología para reparar o regenerar el cuerpo humano. Se enmarcan dentro de la ingeniería biomédica y aglutinan conocimientos del mundo de las ciencias, la ingeniería, la biología y la medicina, por tanto están situados en un campo multidisciplinar y de ciencia transversal.

La primera biocerámica la encontramos en nuestros propios huesos, y naturalmente es un material biológico, crecido dentro de una matriz orgánica fundamentalmente formada por colágeno. Es una apatita biológica de tamaño nanométrico, deficiente en calcio y carbonatada. La estructura ósea tiene una porosidad jerarquizada que va desde la micra hasta cientos de ellas. Por tanto tenemos varios elementos a tener en cuenta, con dimensiones muy diferentes: huesos con porosidad micrométrica, apatitas biológicas de dimensiones nanométricas, células con dimensiones de tamaño micrométrico y proteínas, péptidos y factores de crecimiento óseo, de tamaño nanométrico. Es útil entender qué factores rigen la formación de un nuevo hueso para introducirnos en el campo aplicado de los biomaterales cerámicos. Y aquí se pone de manifiesto el primer encuentro entre biología, materiales y medicina. Naturalmente los biomateriales pueden ser tanto de origen natural como artificial, y dentro de estos últimos se puede pensar en cualquier combinación entre metales, cerámicas y polímeros.
 
María Vallet Regí (Facultad de Farmacia, UCM)
Biomateriales

Bioquímica

Según el Diccionario de la Real Academia Española de la Lengua la palabra promiscuidad tiene dos acepciones:mezcla, confusión es la primera acepción, mientras que la segunda es convivencia con personas de distinto sexo. Sin embargo, el término promiscuidad aplicado a las enzimas (moléculas de naturaleza proteica que permiten acelerar reacciones químicas o hacen posibles aquellas que no se producirían en su ausencia) lo podemos definir como la capacidad de una enzima de realizar dos reacciones distintas. Pero, ¿qué tiene que ver la promiscuidad enzimática con la evolución? Los seres vivos a lo largo de la evolución modifican la actividad de las enzimas que poseen o crean nuevas actividades enzimáticas que les permitan producir nuevas moléculas y estructuras, utilizar diferentes fuentes de energía o colonizar nuevos hábitats. Sin embargo, mientras se desarrolla el proceso evolutivo cada individuo concreto tiene que seguir viviendo en el hábitat para el que está adaptado y por lo tanto necesita sus enzimas originales. ¿Cómo se soluciona esta aparente paradoja? ¿Cómo obtener una nueva enzima sin perder la original? Uno de los principales mecanismos por los que se puede crear una nueva función es la duplicación génica. La duplicación de un gen determinado (en este contexto entendemos por gen un fragmento de DNA que codifica para una enzima) implica que van a existir dos copias de la misma enzima y por lo tanto va a ser posible que una de las copias del gen duplicado acumule mutaciones que en algún caso pueda proporcionar al organismo una nueva actividad enzimática que le proporcione alguna ventaja y por lo tanto se conserven durante la evolución. En este sentido, la promiscuidad enzimática puede ser un mecanismo alternativo para la obtención de nuevas actividades enzimáticas de forma previa a la duplicación génica.
En un reciente trabajo, investigadores del Instituto de Química Orgánica General (IQOG), han capturado una foto fija de la evolución de una enzima promiscua, en la que mientras se mantiene la función original, la nueva actividad está evolucionando sin necesidad de duplicación génica. En el trabajo se describe el comportamiento promiscuo de la enzima dihidroxiacetona quinasa (DHAK) de la bacteria Citrobacter freundii. La función generalmente aceptada de esta enzima es la de fosforilar la dihidroxiacetona a dihidroxiacetona fosfato (DHAP) usando adenosín trifosfato (ATP, del inglés Adenosine TriPhosphate) (principal fuente de energía de los seres vivos); la DHAP se utiliza en la biosíntesis de lípidos y carbohidratos. Los autores describen que la DHAK posee una actividad adicional (ciclasa), por la cual es capaz de ciclar la molécula de flavín adenín dinucleótido (el FAD es una coenzima que interviene como dador o aceptor de electrones y protones en reacciones metabólicas de oxidación y reducción) dando lugar a riboflavina 4’,5’-fosfato y adenosín monofosfato (AMP, del inglés Adenosine MonoPhosphate). Un aspecto fundamental de este trabajo es que los autores no describen simplemente el comportamiento promiscuo de una enzima sino que proponen un mecanismo que permite mantener ambas actividades en ausencia de duplicación génica y proporciona una explicación de cómo la promiscuidad catalítica de una enzima actúa como punto de arranque para su evolución Darwiniana, adquiriendo una nueva función sin perder la original y por lo tanto manteniendo la eficacia (“fitness”) del organismo a lo largo del proceso evolutivo. El comportamiento promiscuo de esta enzima está controlado y modulado por el catión divalente (Mg2+ o Mn2+) que forma el complejo con el sustrato fosforilado (ATP o FAD). Mientras que la actividad quinasa es prácticamente independiente del catión divalente, la actividad ciclasa aumenta 50 veces cuando se emplea Mn2+ como cofactor. Además, cuando el Mn2+ supera cierta concentración la actividad quinasa es inhibida. Es decir, la concentración de Mn2+ actúa como un interruptor que apaga la actividad principal al encender la actividad promiscua o secundaria. Este mecanismo permite explicar cómo se pueden mantener dos actividades en una misma enzima.
Este trabajo ha sido publicado en la revista ChemBioChem y ha sido comentado en la sección “Editor’s Choice” de Science (2009, 323, 438).

Publicación
I. Sánchez-Moreno, L. Iturrate, R. Martín-Hoyos, M. L. Jimeno, M. Mena, A. Bastida y E. García-Junceda. From Kinase to Cyclase: An Unusual Example of Catalytic Promiscuity Modulated by Metal Switching. ChemBioChem. (2009), 10, 225-229

Grupo de trabajo de investigación de Eduardo García-Junceda (Instituto de Química Orgánica General, CSIC)
Docking molecular en el centro activo de una enzima promiscua

No hay comentarios:

Publicar un comentario