Un proceso químico hace que un péptido se asemeje a los que surgen en las enfermedades neurodegenerativas

En un estudio de científicos brasileños destacado en la portada de la revista Biochemistry se muestra que una modificación química conocida como piroglutaminación puede producirse espontáneamente durante la síntesis peptídica. Aparte de sus implicaciones en los experimentos de laboratorio, este hallazgo abre nuevas posibilidades para concretar estudios sobre el alzhéimer, el párkinson y otras afecciones relacionadas con la formación de agregados amiloides

Por Luciana Constantino  |  Agência FAPESP – Los péptidos son biomoléculas formadas por la unión de dos o más aminoácidos que cumplen importantes funciones en el organismo humano, como las de las hormonas, los neurotransmisores, los analgésicos e incluso los antibióticos. Por este motivo se los estudia intensamente y se los aplica con igual intensidad en la industria farmacéutica, por ejemplo.

En una investigación a cargo de científicos del Departamento de Biofísica de la Escuela Paulista de Medicina, de la Universidad Federal de São Paulo (EPM-Unifesp), en Brasil, se detectaron cambios significativos en las propiedades fisicoquímicas de péptidos durante un proceso espontáneo de modificación química denominado piroglutaminación que llega a alterar sus características.

La piroglutaminación es una transformación bastante conocida, aunque suele soslayársela en la síntesis de péptidos y es poco explorada en la proteómica. La advertencia que se revela en la investigación indica que esta transformación puede ocurrir rápidamente, incluso dentro de los plazos experimentales típicos, y es especialmente relevante en condiciones que mimetizan ambientes fisiológicos, como a una temperatura cercana a los 37° C, similar a la del organismo humano.

Aparte de sus implicaciones en las investigaciones de laboratorio, este descubrimiento del grupo de científicos brasileños también abre una nueva perspectiva orientada hacia los estudios sobre las enfermedades neurodegenerativas como el alzhéimer y el párkinson. Sucede que, luego de la modificación química, la molécula adquiere una estructuración amiloidal (que favorece la agregación de las moléculas que forma placas), como las existentes en los portadores de dichas enfermedades.

Debido a la innovación implicada y su importancia, este estudio apareció como destacado de la portada de la revista científica Biochemistry. Y contó con el apoyo de la FAPESP en el marco de dos proyectos (21/04885-3 y 22/03056-6).

El grupo examinó in vitro el mecanismo de transformación del aminoácido glutamina (Gln) en su derivado cíclico piroglutámico (Pyr), cuando se encuentra presente una secuencia peptídica o proteica en el extremo N-terminal (una de las puntas de la molécula). Este proceso transcurre por la vía de la deamidación, es decir, de la eliminación de un compuesto químico, el NH3 (amoníaco). Todas las proteínas están constituidas por 20 tipos de aminoácidos, unidos por uniones peptídicas: lo que varía es la cantidad y la secuencia de los aminoácidos.

“Este resultado puede servirles como modelo a muchos investigadores que trabajan con péptidos. Concretamos dos hallazgos. Volvimos a un tema antiguo, que es la degradación de la glutamina en piroglutámico, pero advertimos acerca de la importancia del análisis de la secuencia. Y la segunda cuestión consistió en destacar que, tras la transformación del péptido, las características cambian, con una tendencia a que se atraque en membranas. Con el piroglutámico, la molécula pasa a tener la propiedad de formar agregados amiloides, como si fuesen los conglomerados típicos encontrados en pacientes con enfermedades neurodegenerativas. Estas placas amiloidales se depositan en el cerebro e interrumpen el flujo de neuronas”, explica el profesor del Departamento de Biofísica Clovis Ryuichi Nakaie, director del estudio.

Los peldaños de la investigación

La secuencia peptídica modelo (QHALTSV-NH2) que se empleó en este trabajo surgió durante el doctorado de la química Mariana Machado Leiva Ferreira, autora principal del artículo. La investigadora se encontraba abocada a la búsqueda de la síntesis de alrededor dos decenas de péptidos presentes en la secuencia de cinco tipos de receptores GPCR (receptores acoplados a la proteína G, por sus siglas en inglés, que captan señales extracelulares y activan vías de señalización en el interior de las células), de tamaños variados (hasta unos 20 aminoácidos). Entre todos esos péptidos sintetizados, solamente uno se destacó debido al bajo rendimiento obtenido, el único con la glutamina en el extremo amínico.

“Luego del primer intento de síntesis con rendimiento muy bajo, variamos diversos parámetros necesarios para el aumento del resultado de la producción de este péptido, incluyendo alteraciones tanto en la parte sintética como en la de purificación, pero, desafortunadamente, siempre detectamos la degradación de una parte de él”, comenta Machado Leiva Ferreira.

Al poner a prueba soluciones comunes del campo de experimentos proteómicos, el grupo de investigadores notó que en todas ellas se concretaba la conversión de la glutamina en su derivado cíclico piroglutámico en función del tiempo, siguiendo una cinética típica de primer orden, es decir que la velocidad de transformación va al ritmo de la reacción.

Por eso se optó por introducir una estrategia sin agitación de la solución, lo cual hizo posible inferir que debe tenerse en cuenta la velocidad de conversión. Se estima que pasadas unas cinco horas de la realización del experimento existen chances de que al menos un 10 % de la glutamina se haya transformado en piroglutámico, por ejemplo.

La pequeña alteración estructural que se produce cuando el péptido nativo es piroglutamizado en su extremo N-terminal y esto es suficiente para alterar el comportamiento fisicoquímico de la molécula.

“Por ser cíclico y con una carga positiva menos, el Pyr-péptido sería más hidrofóbico que el nativo. Por eso vislumbrábamos una mayor probabilidad de interacción del análogo con los sistemas membrana-miméticos. Lo que no esperábamos era que ese análogo mostrase la formación de estructuras amiloidales del tipo de las que existen en los portadores de enfermedades neurodegenerativas. No llegamos a estudiar la enfermedad, pero es una senda que se abre”, afirma en declaraciones a Agência FAPESP el también profesor del departamento Emerson Rodrigo da Silva. 

Da Silva es autor corresponsal del artículo junto a Nakaie, quien hace hincapié en la importancia de las modificaciones postraslacionales que se producen en el organismo y abarcan la cadena polipeptídica. Estas modificaciones cumplen un papel en la diversidad funcional de las proteínas y permiten que una secuencia de aminoácidos codificada en un gen se adapte para realizar diversas funciones y regulaciones.

“En ese marco, seguramente se insertará el factor tiempo, siempre en relación con la aparición de las modificaciones, independientemente del lugar o de la velocidad de cada una de ellas en nuestro organismo. Por ende, el concepto del reloj de la vida adquiere su sentido y fue por esta razón que propusimos el reloj de arena con la transformación espontánea de Gln en Pyr como ilustración para la portada de la revista”, dice Nakaie.

El docente de la Escuela Paulista de Medicina desde hace 45 años pone de relieve el pionerismo del Departamento de Biofísica al introducir en Brasil el desarrollo de proyectos en el área de síntesis y bioquímica de los péptidos, los derivados de aminoácidos inclusive.

“Por supuesto que nuestros hallazgos abren sendas hacia la realización de otros estudios. Tras la culminación del trabajo referente al doctorado de Mariana, también pretendemos dar proseguimiento a esta línea de investigación”, culmina diciendo Nakaie.

Puede leerse el artículo intitulado Pyroglutamination-Induced Changes in the Physicochemical Features of a CXCR4 Chemokine Peptide: Kinetic and Structural Analysis en el siguiente enlace: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biochem.3c00124.