vo de vibraciones en los cables de

puentes colgantes. Probablementeno hay estudiante universitario deFísica que no haya visto la filmación del hundimiento del puentecolgante de Tacoma Narrow debidoa las vibraciones inducidas por unfuerte vendaval. Hoy en día esta

posibilidad se evita de forma efectiva por medio de la instalación deamortiguadores activos en loscables del puente.

Finalmente, en Bio-ingeniería

se están usando ya amortiguadoresactivos para aumentar el confort demarcha en prótesis artificiales de

rodilla. Otra vía, aun en estado de

estudio preliminar es la de utilizarmateriales compuestos, en los queel fluido soporte se sustituye por

un gel elástico, como "músculos

artificiales".

BIBLIOGRAFÍA

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Miguel Ángel Rubio ÁlvarezDpto. de Física Fundamental (UNED)

Sonía Melle y Pablo Dommguez

Dpto. de Óptica. Fac. de Física (UCM)

COLABORACIONES

Las proteínas de estrés. La respuesta de lascélulas a los cambios ambientales

Una de las características más lla

mativas de los seres vivos es su

habilidad para detectar los cambiosen el medio ambiente y adecuarsecontinuamente a las nuevas situa

ciones; de ella dependen la supervivencia de los individuos y la evolución de las poblaciones. Tambiénlas células, tanto de vida libre como

las que componen un organismopluricelular, son capaces de adaptarse a los cambios en las condiciones

ambientales. Existe un complejoentramado de sensores y mecanismos de transducción de señales quelogran un continuo ajuste del crecimiento, la proliferación, la expresión de los genes y las actividadesmetabólicas de la célula a pequeñasy graduales variaciones en su entor

no. Pero en determinadas ocasiones

las células se enfrentan a unas con

diciones ambientales demasiado

adversas, que pueden ser críticas yllegar a poner en peligro su propiasupervivencia. Entonces decimosque la célula se encuentra en unasituación de estrés. Hoy sabemos

que ante estas situaciones se activaun mecanismo defensivo que afecta

a la propia expresión del genoma.La palabra estrés se ha convertido

en un comodín de nuestro vocabula

rio ya que constituye una experiencia casi cotidiana en nuestro estilo

de vida actual. Pero ¿qué es exactamente el estrés para una célula?Resulta difícil dar una definición

precisa, ya que, al igual que en loshumanos, la percepción de unasituación de estrés es totalmente

dependiente del tipo de célula. Entérminos generales, se trata de uncambio brusco y repentino en algúnparámetro ainbiental, que puede serde naturaleza física o química (temperatura, presión, radiación, concentración de sales, pH, presencia demetales pesados, sustancias tóxicas,etc.), de manera que se aleje de lascondiciones habituales fisiológicasy que puede provocar daños en algunos de los componentes de la célula,sin llegar a alcanzar una situaciónclaramente letal para la misma.Puesto que las condiciones "norma

les" difieren según el tipo de célula,lo mismo ocurre con las condiciones

que perciben como anormales. Porejemplo, una temperatura de 37"C esnormal para una célula de mamífero, pero solo dos o tres grados más,

a partir de 40"C empieza a ser cnti-ca y se activa la respuesta de estrés,mientras 37"C resulta muy comprometida para las células de un organismo acuático que normalmente seencuentran entre 15"C y 25"C.No obstante, aunque en la per

cepción de! estrés hay diferenciasentre las células podemos decir quetodas ellas responden de una formamuy parecida ante situacionesestresantes muy diversas. Por esohoy día podemos hablar de la "respuesta celular al estrés" en términos genéricos, ya que hay unos elementos clave que la caracterizan.Implica una reprogramación rápidadel genoma, de manera que se activa un pequeño grupo de genes quecodifican las denominadas

proteínas de estrés, cuya síntesis esmuy rápida y muy eficiente, incluso en condiciones en que toda lamaquinaria celular está en unasituación crítica. Se trata de un

mecanismo de defensa y la función

de estas proteínas es protectora yaque ayudan a recuperar los elemen

tos dañados, generalmente otrasproteínas y ácidos nucleicos.

UNOS GENES ACTIVADOS

POR CALOR

La temperatura es uno de losprincipales factores de estrés al quese enfrentan todos los organismos,

y el mecanismo de respuesta de lascélulas al estrés térmico es sin duda

el mejor caracterizado en unaamplísima variedad de especies.También fue el primero que se descubrió y, como veremos, es un

ejemplo más de cómo un hecho fortuito puede llevar a un descubrimiento de capital importancia.

Figura /. Proteínas de nueva síntesis trasun choque térmico de una hora a 35"C.Para su detección, ias células se incuban en

un medio con el aminoácido metionina mar

cado con ■'^S. Posteriormente, ¡as proteínasse separan mediante electrojoresis en gelesde paliacrilamida, y la radiactividad sedetecta por antorradiogra/ía. (b) Cbirono-mus (c) Drosophila (2).

Todo empezó en un pequeño laboratorio de Ñapóles y por un error.Alguien había subido la temperaturade 25"C a 37"C en el incubadordonde el joven científico FerruccioRitossa criaba las moscas en queestudiaba la síntesis de ácidos nucleicos en determinadas regiones o puffsde sus cromosomas gigantes. Observó que en estas condiciones de hiper-termia aparecían nuevos puffs, a lavez que se producía prácticamente larepresión de los puffs activos en condiciones normales. En 1962, Ritossapublicó que una elevación bmsca enla temperatura de cultivo de larvas deDrosophila, la mosca de la fruta, pro-

Figura 2. Genes de estrés. Sobre el gris delDNA podemos ver en blanco los genes quese han activado como consecuencia de unasubida bricsca en la temperatura. La técnicase basa en ¡a detección por inmunojluores-cencia de la enzima RNA polimerasa (en tosgenes activos) con un anticuerpo específicomarcado con el fiuorocromo Te.xas Red . ElDNA se detecta con la molécula fiuorescen-te DAPl que se intercala en la doble hélice.Dos imágenes compuestas con Adobe Photoshop: fluorescencia a 596nm y aSóOnrn.Micivscopio de fluorescencia Zeiss,cámara CCD Phoíometrics.

Cromo.'ioma politénico del mosquito Chimno-inus. Aumentos 2000.x. Autores: José LuísMartínez Quitarte v Gloria Morcillo.

vocaba un cambio en el patrón depuffing de los cromosomas politéni-cos de las células salivales (1). Desdela perspectiva del momento, dondeya se sabía que los puffs eran unamanifestación visible de la actividadde determinados genes, pudo concluir que el patrón de expresión géni-ca de las células podía ser dramáticamente alterado por influencias externas. üna serie de tratamientos, comoel dinitrofenol, el salicilato sódico yla anoxia, provocaban un efecto sorprendentemente equivalente al choque térmico. Sin embargo, sus trabajos no tuvieron demasiada repercusión ya que parecía un comportamiento muy curioso, pero al fin y alcabo de los genes de una mosca.

A mediados de los años setenta sedescribe que, además de un efectodirecto sobre determinadas regionesde los cromosomas, el choque térmico provoca una alteración rápiday drástica en el patrón de proteínas;mientras que prácticamente cesa lasíntesis de las proteínas que normalmente esas células producían seobserva la síntesis masiva de unasnuevas proteínas, cuyo númeroguarda una notable correspondenciacon el número de genes inducidospor el calor.

A partir de este momento, el choque térmico adquiere un notableinterés, y numerosos grupos deinvestigación se centran en su estudio en diversos organismos. Enpocos años se identifican y aislanestas proteínas y se establece lacorrelación precisa entre cada unade ellas y los genes que las codifican. Fueron los primeros geneseucariotas clonados y de los primeros en conocerse su secuencia. Peroaún más importante, al estudiárostefenómeno en multitud de especiesdiferentes, desde las bacterias hastalas células humanas, se pudo comprobar que todas ias células responden frente al estrés térmico de unmodo semejante a como lo hacíanlas células de Drosophila (2). Lasproteínas están muy conservadas, encuanto a número y a secuencia deaminoácidos, a lo largo de la escalaevolutiva, y, por supuesto, tambiénlos genes que las codifican tienen

VIDA CIENTIFICA

una elevada homología de secuencia, en algunos de casos mayor del50% entre las bacterias y los huma

nos. El solo hecho de su conserva

ción, durante miles de millones de

años de evolución, nos habla de un

mecanismo básico que debe tenerimportantes implicaciones para lafisiología de las ce'lulas. El interésse amplificó a medida que se ibandescribiendo una amplia variedadde agentes que eran capaces deinducir una respuesta similar a laobservada después de un choquetérmico.

LAS PROTEÍNAS DE ESTRÉS

Este nombre agrupa a toda unafamilia de proteínas, cuya síntesis seinduce como consecuencia de una

situación de estrés, pudiendo llegara ser masiva, de forma que toda lamaquinaria celular de traducciónesté prácticamente dedicada a suproducción, si las condiciones soncríticas o se acercan a la subietali-

dad. Esto depende de la intensidad yde la duración del agente estresante.Dado que estas proteínas fueron

inicialmente descritas como conse

cuencia de un estrés térmico, siguen

describiéndose como HSPs (Heat-

Shock Proteins), independientemente de que otros muchos agentesestresantes induzcan su síntesis. La

mayoría de los organismos tienenvarias HSPs, que se agrupan en

familias conocidas por el nombre dela proteína más representativa delgrupo.

HSPiOO: estas proteínas de estrésde elevado peso molecular, entre110 y 104 kilodalions (kDa), sontípicas de mamíferos y también aparecen en levaduras, pero no eninvertebrados ni en plantas. Normalmente hay dos componentes unaHSPllOy una HSP104.HSP90: en todos los seres vivos

se produce una proteína de estafamilia como consecuencia de un

estrés. En Drosophila es una proieí-na de 83 kDa, en Chironomus de 87kDa, en humanos de 90 kDa, pero

se conocen genéricamente comoHSP90 (3). Tienen la peculiaridad,con respecto a otras proteínas de

estrés, de que no se induce de novo

sino que siempre hay una produc

ción basal en condiciones norma

les, más elevada en determinados

estadios del desarrollo embriona

rio. Esta proteína desempeña un

papel muy importante en las rutasde señalización celular ya que seune al receptor de diversas hormonas esteroideas, glucocorticoides,mineralocorticoides, andrógenos,esirógenos y progesterona.

HSP70: es la más abundante, la

más conservada y la más estudiadade todas las HSPs. De hecho es la

proteína más conservada a lo largode la evolución de todas las que seconocen hoy día; entre Drosophila yhumanos exi.ste más de un 70% de

homología de secuencia, que alcanza más del 90% si comparamosdeterminados dominios funcionales

de la proieína. En todos los eiicario-tas hay distintos representantes dee.sta familia, por ejemplo existe unaHSP70 milocondrial. y tambiénexisten algunos representantes deesta familia multigénica cuyaexpresión es constitutiva, se conocen como las HSP70c. lo que indicala importancia que para las célulastiene la función de estas proteínas(4).

Finalmente, existe otra familia

conocida como sHSP (small HSPs)

que es la más heterogénea. Comprende a varias proteínas de entre

\ % - !

20 y 30 kDa, por ejemplo en insectos hay 4. pero en plantas hay des

critas hasta 15 proteínas dentro deeste grupo.

FUNCIÓN DE LAS HSPs ENLAS CÉLULAS

Incluso antes de conocer la fun

ción precisa de las HSPs en las células se les adjudicó, obviamente, unafunción protectora, pero hoy díasabemos que desempeñan un papelactivo, ya que la mayoría de lasHSPs actúan como chaperomis (5).Con este nombre se denominan a las

proteínas cuya íiinción es ayudar alplegamiento correcto de otrasproteínas. Muchas enzimas yproteínas pierden su conformaciónnativa y funcional como consecuencia bien de la subida de temperatura

o de la presencia de cualquier otroagente de estrés. La función de lamayoría de las HSP consiste en ayudar a replegarse a las proteínas parcialmente desnaturalizadas impidiendo que agreguen de manerairreversible con otras proteínas de lacélula. En el caso de no conseguirlo,son secuestradas y desviadas hacialas rutas de degradación, dondeotras HSPs actúan como protecisas,

para que los elementos que las componen sean reciclados. De estafornia, la célula es capaz de recuperar poco a poco la normalidad y

Figuro 3. Lo proteína HSP70. ¡ndiiciJo por un choque térmico, se localiza en determinadas regiones del nucléolo de las células. Para su detección se ha utilizado unanticuerpo específico. antiHSP70. obtenido en conejos, y un segundo anticuerpoanti-conejo marcado con Fluore.sceina. A la izquierda, imagen en contraste defases, a la derecha imagen por fiuorescencia indirecta (4).

Monómeros HSF

#Figura 4. El esquema resume el mecanismo de regulación de los genes hs, mediado por el factor de transcripción especifico HSF. La activación del HSF permitesu unión a las regiones reguladoras comunes a todos los genes de estrés, HSE,que se encuentran en el promotor. La unión del HSF al HSE activa la traiucrip-ción de estos genes a los respectivos RNAs, y éstos codifican la síntesis deproteínas HSPs.

sobrevivir a situaciones que de otromodo resultarían letales.

Diversas condiciones fisiológicas, como el envejecimiento, la

isquemia, la fiebre, y fisiopatológi-cas, como las enfermedades neuro

degenerativas, autoinmunes y víricas, que llevan asociadas cambiosen la acumulación de proteínasdañadas o con conformaciones

erróneas, provocan una expresiónelevada de las HSPs.

Una de las pruebas inequívocasdel papel protector que tienen lasHSPs es el fenómeno conocido

como íermoiolerancia. Si las célu

las se someten durante un breve

periodo de tiempo a una leve hiper-termia de manera que provoque lasíntesis de las HSPs, pueden sobrevivir posteriormente a una drásticasubida de temperatura que hubierasido letal de no estar protegidas porlas HSPs inducidas por el tratamiento previo. Más interesante aún es elfenómeno de tolerancia cruzadaque en muchos casos se ha observado entre distintos agentes de estrés:las HSPs sintetizadas como conse

cuencia de la exposición a un determinado agente protegen a las células para enfrentarse a una situaciónde estrés diferente (6).Una interesante aplicación deri

vada de estas caractensticas de la

respuesta de estrés y de la funciónprotectora de las HSPs se utiliza

actualmente en la preservación deórganos extraídos durante el tiempoque deben permanecer en condiciones de isquemia y frío previo altransplante. Diversos protocolosincluyen tratamientos condicionantes suaves, de manera que induzcanelevados niveles de HSPs que servirán para proteger al órgano durantelas horas anteriores al iransplante (7).

Otra importante aplicación de lasHSPs es en el campo de la BiologíaAmbiental. Actualmente se están

desarrollando sistemas, especialmente bacterianos, que utilizan laactivación de los genes de estréscomo genes reporteros, o la presencia de HSPs como sensores, para lamonitorización ambiental de verti

dos de metales, xenobióticos y engeneral para detección de productoscitotóxicos.

MECANISMOS DE

REGULACIÓN

La respuesta defensiva de lascélulas frente a un agente estresantees de una complejidad sorprendente,pero a la vez un modelo de estrategia de una economía y una eficiencia extraordinaria. No se trata de un

sistema listo para actuar, las células

no gastan energía en disponer de unejercito defensivo, sino que se tratade una respuesta genéticamente programada que implica tres pasos previos para ser efectiva: tienen queactivarse los genes hs o de estrés,transcribirse sus RNAs, y traducirsepara dar las proteínas de estrés, queson los agentes defensivos. Todoesto ocurre rápidamente, de formacoordinada y en unas condicionesobviamente muy desfavorables paracualquier actividad celular.¿Cómo se produce la activación

rápida y coordinada de todo estegrupo de genes? La transcripción delos genes de estrés está mediada porun factor de transcripción específico, conocido como factor de choquetérmico o HSF (Heal Shock Trans-

cription Factor), que actúa comopuente molecular entre el estrés ylas HSPs. Frente a un único HSF en

bacterias como Escherichia coli o

en insectos como Drosophila mela-nogaster, en humanos se han descri

to cuatro HSF diferentes, que parecen estar relacionados con distintos

agentes de inducción, siendo el más

importante el HSFl. En condicionesnormales el HSFl está inactivo.

Aunque se desconoce el mecanismoexacto de activación, se sabe que elestrés provoca la translocación demonómeros de HSFl del citoplasmaal núcleo, y el ensamblaje de estasunidades para formar trímeros.Todos los genes de estrés tienendelante, en la región del promotordel gen, unas secuencias especificascomunes y conservadas en todos

ellos, denominadas HSE (HeatShock Element) (8), que son reconocidas por el HSF produciéndosela unión y la fosforilación del trímero, y la activación transcripcionaldel gen. La eficiencia de la respuesta, y por tanto la supervivencia de lacélula, depende en gran medida dela velocidad con que se lleve a cabola activación de los genes hs, por loque a temperaturas normales o en

condiciones no estresantes encon

tramos el promotor de estos genespreparado, por ejemplo con la RNApolimerasa II aunque inactiva, paraque llegue el HSF y la ponga enmarcha. Otro hecho muy interesante

Secuencia reguladora HSE

G GAfi AA ?TC TA GAA AA TTT GA GAA Tt TTG Secuencia consenso

C GAA TA TIC TA GAA TC CCA ACA AA :tg -2i'i D.. meianogaster hsp'íO

C GAA TG TTC GC GAA AA GAG CG CCG GA GTA -32 D. ntelanogascer hSpTO

A GAA AC TTC CA CGG AG TTC GC TAA AG AA.C -166 D. melanogastec hsp22

T TCT TT TTC CA GAA CG TTC CA TCG GC GGC -119 Levadura YGIOO

A GGA ce TTC TA GAA CA TTC TA AAC GG CTG -1306 C. £JegsnshSpl6

Figura 5. En la tabla se representa la secuencia de bases nitrogenadas correspondiente a los HSE. Éstos elementos se encuentra en las regiones promotoras de todoslos genes de estrés conocidos. Se indican algunos ejemplos concretos en diferentesespecies, v la distancia en bases al inicio de la región codijicanle del gen o inicio

de la transcripción (8).

que merece la pena resaltar es que, adiferencia de la mayoría de losgenes eucariotas, los genes de estrésno poseen intrones, o secuencias nocodificantes que interrumpen elmensaje. Esto evita que sea necesario un largo y complejo procesamiento de los RNAs, de forma queuna vez producidos están listos paraser traducidos a las proteínas HSPs.¿Cómo se detectan los cambios y

las situaciones de estrés, cuál es el

sensor en las células? Aunque ha sidoobjeto de muchos estudios, por elmomento resulta controvertido cómo

las células son capaces de detectar loscambios de temperatura o de otrosfactores ambientales que desencadenan la respuesta de estrés. Una de lashipótesis manejadas supone que eldesequilibrio entre proteínas dañadasy proteínas funcionales en el interiorcelular es el punto de inicio de la respuesta. El incremento en proteínasanormales hace que se agoten losniveles básales de chaperonas, incluso se piensa que la respuesta podríaestar autorregulada por la HSP70. Encondiciones normales, la HSP70 se

encuentra unida al HSFl y la presencia de altos niveles de proteínas agregadas o mal plegadas hai"ía que éstascompitieran con el HSFl por unir laHSP70. El HSFl quedaría libre paratranslocarse y formar los trímeros enel núcleo, desencadenando la activación de los genes de choque. Una vezque la situación de emergencia hafinalizado la HSP70 volvería a que-

dar libre para unirse al HSFl. Otrosautores apuestan por un papel preponderante de las especies reactivasde oxígeno o de las ceramidas. Dado

que las células pueden responder demanera muy variada a un mismo estímulo. no es de extrañar que el factorque dispara la respuesta dependa delestado meiabólico y funcional de lacélula e implique varias posibilidades.

Hoy día, más de cuarenta añosdespués del descubrimiento deRitossa, podemos decir que unasubida accidental de la temperatura

de una estufa, permitió que un científico curioso y poco estresado, nomuy común hoy día. dedicara tiempo a analizar cómo podría haberleafectado a sus moscas. Los puffs delas moscas llevaron a descubrir toda

una familia de genes y de proteínasde choque térmico, y éstas nos condujeron a un mecanismo universalfrente al estrés que hemos tratado dedefinir a lo largo de este artículo.

Sin embargo, cuando las condiciones son muy desfavorables hay otraaltemativa. también programadagenéticamente, que es iniciar la apop-losis. o muerte celular programada.La irrcversibilidad a partir de ciertopunto de esta última opción hace quesea de vital importancia la existenciade un intercambio de informaciónentre las distintas rutas de la célula.Actualmente, están apareciendo nuevos datos que muestran el papel de laHSP7Ü en el control de la apoptosis,

por ejemplo cuando es activada porlas especies reactivas del oxígenocomo el superoxido o el peróxido dehidrógeno. La relación entre respuesta de estrés y apoptosis sugiere otrasfunciones, ha.sta ahora desconocidas

de las HSPs, que se concretan día aI día con nuevos datos que apuntan a su

capacidad para actuar en procesos deinmunización o a su posible papel enrelación con el cáncer. Así, lo queempezó siendo un descubrimientocasual ha sido el inicio de una historia

que, lejos de estar próxima a su final,parece querer ofrecemos una ampliavisión de lo que es la célula, de lacomplejidad, economía y eficienciade sus estrategias de supervivencia yde su capacidad de adaptación.

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