Introducción a la proteína como unidad de integración del primer nivel biológico.

(Resumen del artículo de Faustino Cordón "Las proteínas globulares. Su estructura y función supramoleculares", Mundo Científico, Nº 142, enero 1994 pp. 40-47).

Introducción histórica

A lo largo del siglo XIX se distinguía entre los fermentos solubles (pepsina, amilasa, fermentos del páncreas, emulsina, ureasa, etc) que se consideraban moléculas de composición mal conocida y que se vinculaban a la actividad vital de animales y plantas -y que parecían actuar como catalizadores específicos de transformaciones simples que pueden lograrse por otros medios-, y los fermentos formes, seres unicelulares productores también específicos de las fermentaciones alcohólica, láctica, butírica, etc. procesos mucho más complejos y no reproducibles in vitro. Pues bien, supuso un hito en la diferenciación, hasta entonces mal entendida, entre los dos tipos de fermentos (y, de hecho, constituyó la ocasión inicial del despliegue de la bioquímica) el descubrimiento por Buchner, en 1900, de que ultrafiltrados de levadura producen la fermentación alcohólica de la glucosa del mismo modo que lo hace la levadura viva, proceso que resultó tan complejo que exigió treinta años de investigación bioquímica y que proporcionó una serie de resultados inesperados y trascendentes que a continuación comentamos sucintamente:

1) la fermentación alcohólica se reveló como un proceso complejo (sumariamente de demolición) que consta de diez transformaciones, cada una de las cuales requiere un fermento soluble específico que resultó ser una proteína globular;

2) cada una de estas transformaciones metabólicas se produce de un modo que no es concebible sin estar guiado por una proteína globular específica, perfectamente individualizable, e inasimilable a una simple molécula (sea ésta de un catalizador o no);

3) la investigación de la fermentación alcohólica condujo al sorprendente resultado de que el proceso de la glucólisis (común a innumerables células y que inicia la respiración celular) consta de las mismas transformaciones metabólicas que la fermentación, y todas ellas están gobernadas por sendas proteínas globulares con las respectivas funciones específicas. El ulterior despliegue de la bioquímica impone la conclusión de que el metabolismo celular es un proceso muy complejo, todo él gobernado por proteínas globulares específicas, y que es común a todos los tipos de células, en sus líneas generales y en muchas particularidades, de modo que su diversificación resulta de obvias adaptaciones de un metabolismo celular muy antiguo, adaptado posteriormente a diversos ambientes tróficos;

4) por último, en contra de la opinión de Claude Bernard de que las demoliciones metabólicas son un proceso meramente químico en tanto que las síntesis requieren la actividad vital, la bioquímica ha mostrado que unas y otras son procesos igualmente complejos, dirigidos por proteínas y, evidentemente, coordinados entre sí al servicio de la célula, en la que el metabolismo desempeña una función básica que hay que interpretar.

Los cuatro puntos anteriores parecen imponer que la proteína globular es el agente individual de la vida subcelular a la vez que nos dan una idea clara de su modo de actuar sobre las moléculas de su entorno (gobierno de una en una de las moléculas intracelulares).

El gran interés que suscitó el descubrimiento de los enzimas celulares parece señalar que el punto de vista que exponemos se hubiese impuesto pronto si no hubiese arraigado la convicción de Berthelot de que la vida había que explicarla en términos químicos, opinión impugnada firmemente por Pasteur (que murió cinco años antes de producirse el descubrimiento de Buchner) y para el que la vida era consustancial con la célula. Historia de la bioquímica.

Las proteínas como unidades de primer nivel biológico

Uno de los problemas esenciales que compete a la biología (y con el que ella podría constituirse en la vanguardia de otras ramas de la ciencia) consiste en resolver la antinomia entre el carácter de unidad de integración propia de los seres vivos -que no puede dejar de ser sino un campo físico de naturaleza privativa de las unidades de cada nivel- y el carácter de conjunto, múltiple y que puede llegar a ser muy numeroso y complejo, de las unidades de nivel inmediato inferior que constituyen su soma. Parece obvio que la unidad sólo puede entenderse en términos de la pluralidad del soma y viceversa, y que este juego sólo puede comprenderse en el marco de un ambiente específico de estabilidad conveniente.

La estratificación de los seres vivos en sus tres niveles biológicos no hace sino culminar -en la biosfera terrestre y, con toda verosimilitud, en otros lugares del cosmos- la estratificación asimismo en unidades de integración de diferentes niveles que las ciencias experimentales han ido percibiendo, con dificultad pero rigurosamente, en lo "inorgánico". Esta estratificación satisface la vieja evidencia de que los animales son tan unidades vivas como las células puedan serlo, y, complementariamente nos explica que los somas celulares sean, a su nivel, tan complejos como lo son los somas animales al suyo. Conclusiones correspondientes resultan de comparar, en las proteínas globulares, la unidad de nivel directamente supramolecular en que ellas consisten con la obvia complejidad de su soma compuesto de modo específico por veinte especies de moléculas (los veinte aminoácidos biológicos).

Sobre el fondo de este orden de ideas, en este trabajo nos limitamos a seleccionar un conjunto de datos experimentales concretos de muy diversa índole que parecen imponer, fuera de toda duda razonable, que las proteínas globulares son los seres vivos del primer nivel biológico (las unidades de integración directamente supramoleculares e infracelulares) en tanto que los ácidos nucleicos no son sino meras asociaciones de moléculas, producidas por la actividad asociativa de proteínas globulares específicas, bajo el gobierno de la acción y experiencia celular y en ventaja de la célula.

Los datos que indican que las proteínas globulares son las unidades de integración del primer nivel biológico pueden ordenarse en varios conjuntos, más o menos imbricados, y aquí nos limitamos a comentar dos de ellos:
1) datos experimentales que prueban que la estructura de las proteínas globulares corresponde a la de unidades de nivel directamente supramolecular;
2) pruebas experimentales de que las proteínas globulares, y sólo ellas, actúan aplicando acción y experiencia propia de unidades de integración directamente supramolecular (análisis de los datos sobre la actividad de las proteínas metabólicas).

1) Las proteínas globulares poseen la estructura propia de seres vivos de nivel directamente supramolecular.

Los siguientes hechos generales parecen demostrar que las proteínas globulares poseen estructura supramolecular.

Ya constituye un indicio el hecho de que posean un tamaño varios órdenes superior (de 100.000 daltones) al de las moléculas -metabolitos y coenzimas- (de 100 daltones) con las que se relacionan. Las diferencias de tamaño y grado de complejidad entre, por una parte, los enzimas y, por otra, los metabolitos y coenzimas hacen poco verosímil la idea vigente de que, en la transformación metabólica, la proteína globular con función enzimática desempeña un papel de simple molécula con respecto a los coenzimas y metabolitos, que realmente sí son moléculas.

Claro que el orden de tamaño supramolecular podría ser atribuido a que las proteínas globulares son una mera asociación de moléculas como, de hecho, lo son los ácidos nucleicos asimismo de gran tamaño (incluso mayor que el de las proteínas globulares en el caso de los ácidos desoxirribonucleicos). Ahora bien, en nuestra opinión, entre ambos tipos de sustancias hay diferencias que inducen a pensar que en las proteínas globulares las moléculas que las constituyen están coordinadas de un modo que parece el adecuado para que, sobre la actividad conjunta de ellas, pueda realizarse una unidad (un agente) supramolecular.

Pasemos a considerar la estructura en moléculas privativa de las proteínas globulares que parece corresponder al ser vivo directamente supramolecular e infracelular.

Con respecto a la estructura molecular de las proteínas globulares puede recordarse, en primer lugar, que todas constan de veinte especies de L-α-aminoácidos (los denominados aminoácidos biológicos) enlazados entre sí, con eliminación de agua, por enlaces peptídicos que los traban, en general, en uno o más polipéptidos por proteína globular. Desde que lo estableció inequívocamente E. Fischer (1852-1919) se sabe que el eje lineal de estos polipéptidos tiene una estructura sumamente sencilla y regular.

Estos polipéptidos, por su ley de formación, crecen (y decrecen) por sus grupos aminos y carboxilos que participan en la constitución de un eje lineal, que acaba en uno de sus extremos con un grupo amino libre y en el otro con un grupo carboxilo libre, eje lineal del que sobresalen lateralmente el resto de cada uno de los L-α-aminoácidos. Los restos de los L-α-aminoácidos poseen notables analogías (orden de tamaño, abundancia de grupos CH2, etc.) que parecen señalar la comunidad de su origen químico, que hubo de ser previo a la constitución de las proteínas globulares supramoleculares, y producido en la etapa molecular de la evolución biológica.

Conviene destacar que todos estos restos de L-α-aminoácidos poseen una misma disposición estérica (con ausencia de polipéptidos con D-α-aminoácidos en la materia viva), hecho inexplicable por las leyes de interacción entre moléculas.

Interesa señalar, además, que cada proteína globular -específicamente definida por su función en la célula y por la célula de origen- se caracteriza por una secuencia determinada de los distintos L-α-aminoácidos, secuencia en la que no es posible descubrir ninguna regularidad. Parece, pues, una secuencia sin ley distributiva pero que es la adecuada para que la proteína globular como un todo ejerza una función vital, por lo que su secuencia se conserva fielmente de generación en generación de células para cada especie de proteína globular. Todo ello parece indicar que, en el afinamiento filogénico de cada proteína globular, cada L-α-aminoácido ha sido seleccionado para el puesto que ocupa por su contribución a que la proteína globular entera haya ido realizando del mejor modo posible la función que a ella, desde su diferenciación, le ha competido desempeñar en la fisiología celular.

Innecesario parece recordar que análoga constancia de secuencia, asimismo con falta de toda pauta de regularidad distributiva, se encuentra en las ternas de nucleótidos que constituyen los ácidos nucleicos, aunque con la diferencia significativa de que la función específica de los ácidos nucleicos no radica (como en las proteínas globulares) en el ácido nucleico entero sino en cada una de las ternas de nucleótidos que, por mediación precisamente de proteínas globulares específicas, se traduce en la incorporación de un determinado L-α-aminoácido en el lugar adecuado de un polipéptido correspondiente. Sea como fuere, en ambos casos es impensable que de reacciones meramente químicas puedan resultar concatenaciones lineales de moléculas (a la vez diversas y con reactividad equivalente) con sendas secuencias aparentemente arbitrarias y, no obstante, absolutamente fijas.

Un carácter estructural, éste ya exclusivo de las proteínas globulares consiste en el hecho de que el polipéptido o sus polipéptidos constituyentes se plieguen de modo que, por una parte, el conjunto de restos de L-α-aminoácidos adquiera la configuración globular que hace a estas proteínas funcionalmente activas, y que, por otra parte, tal plegamiento (estudiado sistemáticamente, a mediados del siglo XX, mediante diagramas de difracción de rayos X), igual que la secuencia de los α-aminoácidos en el polipéptido, es característico de cada especie de proteína globular (definida por su función y por el tipo de célula a la que pertenece) y no muestra ninguna regularidad de pauta estructural que permita descubrir unidades subordinadas (postuladas por el reduccionismo a lo molecular y atentamente buscadas). La ausencia de pautas estéricas de regularidad interna en el plegamiento de los polipéptidos de las proteínas remite su interpretación (como antes la de su secuencia de α-aminoácidos) a haberse ido produciendo, en el curso del afinamiento funcional de cada proteína globular, en el marco de la evolución de su célula. Como se expuso al hablar de la constancia de la configuración estérica de los aminoácidos (todos L) y de la constancia de la secuencia de ellos en los polipéptidos de cada especie de proteína globular, el hecho de que polipéptidos de una secuencia dada se plieguen siempre de un único modo intrincado y rigurosamente específico también resulta inexplicable desde las leyes químicas.

Como conclusión podemos decir que no se entiende que, por las solas interacciones de las moléculas constituyentes de los polipéptidos y las del agua (esto es , por las leyes químicas), se organice un complicado plegamiento de polipéptidos característico de cada especie de proteína globulares que, o bien nos limitamos a justificar como una misteriosa cualidad teleológica de cada uno de ellos (igual que se renuncia a procurar entender el surgimiento del animal a partir de sus células embrionarias), o bien decidimos plantearnos, como problema potencialmente resoluble -y, en todo caso, bien real- cómo determinados polipéptidos se pliegan, cada uno de un modo perfectamente específico, y se constituyen en una proteína globular con su capacidad funcional claramente supramolecular que se examina a continuación. (La afirmación de que la proteína globular es un ser vivo -intermedio entre la molécula y la célula- plantea el problema del origen de la primera proteína globular desde la evolución de las moléculas en la superficie terrestre, origen muy anterior al de los ácidos nucleicos, estos al servicio de la reproducción de las proteínas de la célula. Tratado evolucionista de biología. Parte Primera. (p. 139-223).

2) Las proteínas globulares ejercen un modo de acción y experiencia propio de unidades de integración directamente supramoleculares.

(Análisis de la acción de las proteínas metabólicas).

Importantes acervos de datos de diversa índole señalan que las proteínas globulares son seres vivos, esto es, genuinos agentes que gobiernan, en provecho propio, un ambiente trófico específico, mediante el ejercicio alterno de acción y experiencia (no hay acción sin experiencia que la guíe, ni experiencia sino de los efectos de una acción cumplida).

El ambiente de las proteínas consistió, ab origine y así persiste, en moléculas disueltas en agua remansada y la acción de ellas en manejarlas de una en una, acción que se conoce experimentalmente de modo detallado por el análisis de la actividad de centenares de proteínas globulares con función metabólica que ha ido puntualizando la bioquímica, y a cuya interpretación monográfica hemos dedicado buena parte de nuestra investigación de los últimos años expuesta en el Tratado evolucionista de biología. Parte Segunda. Volumen II.

Mediante un esquema ideado, hemos realizado el análisis de cada una de las transformaciones metabólicas descubiertas por la bioquímica, y hemos distinguido con exactitud por una parte la acción desempeñada por la proteína metabólica y por otra parte la transformación química que la propia proteína provoca, transformación que corresponde a las genuinas moléculas que intervienen en ellas -metabolitos y coenzimas-. Este análisis de cada transformación metabólica nos ha permitido concretar cómo las proteínas metabólicas, aplicando su modo de acción y experiencia peculiar, gobiernan reacciones químicas elementales.

Pasamos a concretar las diferencias que se dan entre las reacciones químicas en moléculas libres (con o sin catalizador) y las reacciones químicas de las transformaciones metabólicas, diferencias imputables a la presencia de la proteína como agente supramolecular.

Resumiendo, para que el agente supramolecular que es la proteína globular, con función metabólica pueda realizar su compleja acción guiada por su correspondiente experiencia, parece que cada uno de los momentos sucesivos que se dan en aquella deben ser: la captura de los metabolitos y coenzimas que recibe de su proteína metabólica anterior, el transporte confluente de ellos, la coordinación de sus posiciones relativas a distancias interatómicas, la activación simultánea de sus campos moleculares que desencadena las reacciones químicas específicas, la percepción de los metabolitos resultantes de las transformaciones metabólicas, y el transporte de salida (de donación) de ellos a la siguiente proteína metabólica. Lograr esto es imposible en moléculas libres, esto es, sin estar conducidas por un agente supramolecular.

Es comprensible que el reduccionismo de las proteínas globulares (de los seres vivos de nivel directamente supramolecular e infracelular) al nivel molecular haya traído como consecuencia inevitable el vacío dejado por el agente que, no obstante, desempeña funciones obvias en la célula. Paradójicamente este vacío se ha intentado llenar con la supuesta actividad de moléculas (o de asociaciones de moléculas) a las que se atribuye el desempeño de funciones que no concuerdan con su capacidad, descubierta por la ciencia química.