Desde el punto de vista estrictamente bioquímico, el fenómeno vital no es ni más ni menos que la secuencia continua y ordenada de reacciones en que unas sustancias químicas se transforman en otras. La gran mayoría de estas reacciones no son susceptibles de reproducirse fuera de la célula a no ser que la reacción proceda en condiciones drásticas (por ejemplo, altas temperaturas).

La clave que permite explicar tanto la velocidad, el orden y la regulación de las reacciones químicas que ocurren al interior de la célula está dada por las llamadas enzimas complejas moléclulas de proteínas que catalizan las reacciones celulares. Las enzimas catalizan reacciones químicas que ocurren en las condiciones propias del microambiente celular; esto es, a baja temperatura, pH neutro y concentración salina estable. Desde el punto de vista químico, estas condiciones no favorecen precisamente la reactividad de los compuestos reaccionantes, sin embargo, en la célula estas reacciones ocurren a altísima velocidad y sometidas a una muy efectiva regulación.

Entre las muchas características que permiten definir la acción enzimática, dos parecen particularmente relevantes: su enorme capacidad catalítica y su gran especificidad. En efecto, gracias a su estructura molecular, las enzimas poseen una "potencia" catalítica superior en muchos ordenes de magnitud a cualquier catalizador de tipo químico y, además - también como expresión de su estructura - tienen un altísimo grado de especificidad. Reconocen a un solo tipo de sustrato y, por lo tanto generan un solo tipo de producto. Debemos tener presente que procesos como la replicación del DNA, en los que se pone en juego nada menos que la transmisión de los caracteres hereditarios de la especie, son catalizados por enzimas. De allí la importancia que reviste para la célula que estos fenómenos ocurran con la mayor fidelidad posible mediante reacciones especificas y finamente reguladas.

La propiedad de las enzimas de actuar en forma especifica es compartida por otras proteínas que también cumplen una importante función en nuestro organismo: los anticuerpos. También en este caso, existe un reconocimiento especifico de una molécula pequeña (antígeno) por parte de una molécula proteica de tamaño apreciable (anticuerpo) en un sitio especifico de su estructura. Los eventos que ocurren a continuación de la unión del ligando y la proteína son diferentes según se trate de la unión enzima-sustrato o su contraparte antígeno-anticuerpo. En el caso de estos últimos, el mayor tiempo de unión permite que otros miembros del sistema inmune terminen la labor de eliminación de la molécula extraña al organismo.


Contenidos energéticos

Los procesos químicos catalizados por las enzimas pueden también ser definidos en términos del contenido energético de las moléculas participantes: Así, un conjunto de moléculas con un alto grado de estabilidad (bajo contenido energético) conforma el sustrato; luego de la acción enzimática estas moléculas se transforman en un conjunto de moléculas también muy estables (también de bajo contenido energético) que conforman el producto de la reacción.

En términos del progreso de la reacción, aunque la diferencia de energía interna entre las moléculas de sustrato y producto sea apreciable, la reacción no procede en forma instantánea, dado que el sustrato debe, previamente, transformarse en una forma molecularmente diferente, con un alto contenido energético y - por tanto- muy inestable: el llamado estado de transición. Un esquema de las diferencias de contenido energético de las especies en juego se aprecia en la figura 1.

¿Cuál es el rol especifico que cumplen las enzimas en este proceso? En 1946 el laureado Linus Pauling propuso que las enzimas tenían una particular capacidad para unirse a la forma de sustrato que participa del estado de transición, estabilizándola. De este modo se reduce el contenido energético de esa especie molecular intermedia, con lo que la barrera energética que impide que el sustrato se transforme en producto disminuye, y la reacción procede a alta velocidad. En este caso el sustrato está en contacto con la enzima de un modo muy fugaz, pues la dirección de la reacción hace que se vaya transformando rápidamente en producto.

En 1969, William Jencks, de la Brandeis University (Massachusetts), propuso que la interacción de las enzimas con el sustrato inducía en éste un cambio estructural. En este fenómeno, la enzima actúa moldeando la molécula del sustrato de modo de originar una nueva conformación estructural que corresponde al estado de transición. Dado que el sentido de la reacción es hacia la formación de producto, el estado de transición no vuelve atrás, hacia la regeneración del sustrato original. La hipótesis de Jencks implica una participación más activa de la molécula de enzima. Ya no es sólo cuestión de unirse a una forma determinada de sustrato, sino de dar origen a una nueva forma que permitirá la catálisis enzimática.

Los postulados de Jencks y el progreso acelerado del conocimiento sobre la reacción enzimática provocaron que, a mediados de los 80, diversos grupos de investigación, liderados por el de Richard A. Lerner, dedujeran que, si la enzima es capaz de producir una molécula de transición que precipita la catálisis, y si es posible sintetizar esta molécula en una forma estable, esta podía actuar como antígeno, de modo que sea posible inocularla en un animal productor de anticuerpos - un ratón en este caso - y obtener, luego de la inmunización del animal, una familia de anticuerpos que se unieran específicamente con esta molécula y produjeran la catálisis enzimática (¿antizima?).

El primer problema era, pues, estabilizar químicamente una molécula que siendo tan inestable, casi no existe. El grupo de Lerner del Research Institute of the Scripps Clinic en La Jolla, California, resolvió el problema buscando una reacción enzimática cuyo estado de transición fuera conocido. En este caso, la hidrólisis de un éster orgánico. En esta reacción, una molécula de un éster incorpora una de agua y se divide posteriormente en una molécula de ácido y un alcohol, El estado de transición es una estructura de forma tetraédrica con una gran polarización de cargas negativas en un extremo, lo que determina su gran inestabilidad. Al reemplazar el átomo central de carbono por uno de fósforo, se producen una redistribución de las cargas y la estabilización posterior de la estructura (figura 2). Con esta molécula en su poder, los científicos de California la unieron a una proteína transportadora e inocularon ratones para producir anticuerpos (figura 3).

Luego de un tiempo de inmunización, los ratones fueron sacrificados y se les extrajo el bazo. Células de este órgano se fusionaron con células de mieloma, originando híbridos productores de anticuerpos -hibridomas - que crecen indefinidamente. Esta técnica, conocida como de producción de anticuerpos monoclonales, permite disponer de cientos de clones diversos desde los cuales poder elegir aquellos que de mejor forma catalicen la reacción de hidrólisis del éster. Producto de estos ensayos se logró purificar hibridomas que aceleraban la reacción de hidrólisis aproximadamente 1000 veces. Esta velocidad de reacción está varios órdenes de magnitud por debajo de la velocidad de las enzimas naturales, pero de 1986 a la fecha estas magnitudes se han ido aproximando hasta lograrse en la actualidad reacciones catalizadas por anticuerpos catalíticos que proceden a una velocidad apenas 100 veces menor que aquellas catalizadas por enzimas naturales.


Orientaciones futuras
Las perspectivas futuras de estas singulares moléculas, al parecer van más por las aplicaciones en el campo medico que en el industrial, dado que en los procesos enzimáticos industriales, generalmente, los productos de la reacción se acumulan, lo que tiende a inhibir el flujo de la reacción y, de este modo, dificultar su uso en procesos continuos.

En líneas generales, el tipo de reacciones en que pueden participar los anticuerpos catalíticos son reacciones de hidrólisis, como la explicada en un párrafo anterior. Dado que la técnica depende en gran medida de la capacidad de síntesis de estados intermedios, no debiera descartarse a priori ninguna reacción para ser catalizada por anticuerpos. De este modo se piensa que existe un futuro muy promisorio en la posibilidad de incorporar a estos anticuerpos una capacidad hidrolizadora de proteínas, lo que permitiría manipular este proceso con mucho mayor precisión y, además, diseñar anticuerpos que cumplirían un rol terapéutico de gran utilidad, como la disolución de coágulos o la disolución de tejidos cicatrizales. Estas proteasas de anticuerpos podrían incluso atacar la cubierta proteica de los virus, transformándose así en un efectivo agente viral.

En teoría, esta revolucionaria tecnología debiera permitir "diseñar" nuevas enzimas provisto que sea posible sintetizar el estado de transición que actuaría como antígeno. Sin embargo, las posibilidades terapéuticas de los anticuerpos catalíticos están en la actualidad limitados por varias razones. Una de ellas es que su producción masiva se ha realizado fundamentalmente en hibridomas de ratón, lo que impide su utilización en humanos. Greg Winter, del Medical Research Coucil`s Laboratory for Molecular Biology, en Cambridge, ha logrado ""humanizar"" estos anticuerpos rodeándolos de trozos de anticuerpos humanos alrededor del sitio reactivo del anticuerpo de ratón. De este modo, una gran porción de la molécula es de origen humano, lo que disminuye significativamente el riesgo de rechazo inmune


El anticuerpo como objetivo

Una molécula de anticuerpo está compuesta fundamentalmente por dos tipos de cadenas proteicas de carácter diverso. Los extremos donde se une el antígeno están conformados por una estructura especial en la que participan ambas cadenas.

Este segmento se conoce como la fracción Fab y es la responsable de la especificidad de la unión antígeno-anticuerpo. Grupos de investigadores de EE.UU. y Gran Bretaña han intentado sintetizar el fragmento Fab de modo de "ahorrarse" la síntesis de toda la molécula de anticuerpo y además independizar el proceso del animal productor.

El procedimiento empleado en este caso ha consistido en la obtención de los genes para la síntesis de anticuerpos desde las células productoras de ratón, amplificarlos in vitro y luego incorporarlos en el genoma de algún virus que ataque bacterias. Dado que la combinación de los genes para las cadenas liviana y pesada es al azar, se producen miles de ensambles posibles en el crecimiento bacteriano, por lo que la tarea de seleccionar aquellos que posean actividad catalítica puede ser ardua.

Existen, por tanto, las posibilidades de obtener una producción masiva de anticuerpos catalíticos para la medicina y la tecnología. El desafío ahora es lograr que estas moléculas sean funcionales en un espectro mucho más amplio de reacciones, de modo que puedan constituirse en una efectiva arma, tanto analítica como productiva.



Dr. Fernando Mönckeberg B.

INTA. Universidad de Chile.