21 abr. 2017

L'estructura de la matèria viva

Ahir dimecres, 19 d’abril va venir Maria Solà Vilarrubias, de l'IBMB-CSIC (Institut de Biologia Molecular de Barcelona) per parlar-nos de l’estructura de la matèria viva. Sabem que la matèria viva està formada per estructures complexes, i que les molècules i els orgànuls de dins les cèl·lules no els podem veure a ull nu, cal que ens aproximem amb tècniques diferents per a conèixer la seva estructura. Quines són aquestes tècniques? Són diferents per a cada tipus d’objecte d’estudi? Què ens expliquen?

Maria és biòloga per la UB, va fer la seva tesi sobre cristal·lografia de proteïnes i va fer una estada post-doctoral a Grenoble. Ara és investigadora del CSIC i té el seu grup de recerca sobre l'estructura de les macromolècules dels mitocondris. En la seva recerca hi participen conceptes i tècniques de diverses disciplines: química, física i biologia, bàsicament.

Com està formada la matèria viva?
La matèria viva és complexa. No és el mateix estudiar un cristall de clorur sòdic (la sal comú) i veure'n l'estructura, que un cristall de proteïnes. Per això Maria va considerar que ens havia de situar conceptualment. I ho va fer!

Les proteïnes, molècules que duen a terme els processos dels organismes, es formen a partir de la informació continguda en el DNA. Els àcids nucleics estan formats només per quatre bases nitrogenades, que segons la seva seqüència indiquen la proteïna que ha de codificar-se.

El codi genètic es guarda en el DNA, i per ser desxifrat es transcriu a una molècula més senzilla, el RNAm (per missatger). Aquesta molècula més àgil serà llegida dins el ribosoma, la màquina de fabricació de proteïnes dins de la cèl·lula. Dins el ribosoma, el codi del RNAm que serveix de motllo d'informació serà llegit pel RNAt (de transferència) que transferirà l'ordre dels aminoàcids que formaran la proteïna.

A la imatge veiem una seqüència d'aminoàcids que va fer Maria prenent com a base el cordill d'una sabata.

Els aminoàcids fonamentals, components de les proteïnes, només en són vint. Cada un d'ells ve determinat per bases nitrogenades, dels àcids nucleics, que es llegeixen de tres en tres. Posteriorment, per la seva funcionalitat, alguns aminoàcids es modifiquen.

Els aminoàcids es caracteritzen per compartir un extrem amino (NH2-) i un extrem carboxil (COOH-), és el tercer extrem on hi ha un altre radical que els identifica i els dóna les propietats exclusives de cadascun d'ells. N'hi ha que són hidrofòbics, que repelen l'aigua, i n'hi ha que són hidròfils, hidrosolubles.

Aquesta propietat és bàsica per la vida, perquè les cèl·lules son un medi aquós. La individualització de les cèl·lules ve donada perquè estan separades unes d'altres per una membrana hidrofòbica. És a dir que una membrana lipídica fa de barrera entre el medi intern i l'extern de la cèl·lula. I separa dues cèl·lules.

La forma de la matèria viva
Com les proteïnes es van formant dins una cèl·lula, que és un medi aquós, a mesura que es van sintetitzant, allargant la molècula de proteïna, les propietats dels aminoàcids faran que s'agrupin d'una manera o una altra. És a dir, que la cadena proteica no es mantindrà allargassada, sinó que els aminoàcids hidrofòbics tendiran a empaquetar-se entre ells, separats dels hidròfils, els quals, en general, tendiran a mantenir-se en la superfície de la proteïna.

És a dir que d'una estructura primària, que és la seqüència de proteïna, tenim un primer plegament que ve donat per les interaccions de la cadena degudes a les propietats dels aminoàcids corresponents. Aquest primer plegament, tridimensional, s'anomena estructura secundària, que bàsicament serà de dues menes, en hèlix alpha, o en làmines beta, segons les forces d'atracció o repulsió entre els aminoàcids. Hi ha també unes formes de nansa que lliguen les dues estructures bàsiques.

Finalment, les estructures secundàries s'empaqueten entre elles segons forces d'atracció o repulsió entre els aminoàcids, formant l'estructura terciària de la proteïna, més complexa i que serà la funcional. Hi ha proteïnes que per ser actives necessiten unir-se i formar un complex, com és el cas de l'hemoglobina. D'aquest nivell d'organització se'n diu estructura quaternària.

L'estructura de la matèria viva
Per estudiar l'estructura de la matèria viva, òbviament cal fer servir tècniques que ens amplifiquin les molècules a les nostres dimensions. No ho podem percebre ni a simple vista ni directament amb lupes.

Una forma d'estudiar-la és mitjançant cristal·lografia. Els cristalls són acumulacions regulars d'àtoms o molècules; en el cas de les proteïnes, les acumulacions ordenades de molècules contenen milers d'àtoms. Així, moltes molècules ordenades en un cristall, amplificaran la informació sobre l'estructura de la matèria de què està composat. I aquesta informació serà detectable per difracció de raigs X.

Per aconseguir que una substància cristal·litzi cal provar en el laboratori amb diferents condicions químiques o tractaments. I, de vegades, costa cristal·litzar, perquè les proteïnes són molècules molt flexibles.

Els cristalls s'estudien a la llum del sincrotró, emprant radiació de raigs X d’alta qualitat, és a dir que són d’una sola longitud d’ona, el feix és molt fi i amb una alta quantitat de fotons. Els fotons travessen el cristall, i quan contacten els electrons de cada àtom de la proteïna, es desvien. Com que la proteïna es replica milers de vegades dins del cristall, les ones dels fotons desviats per les diferents molècules interfereixen entre elles, donant lloc a un patró de difracció de raigs X.

S'obté una informació bidimensional d'una estructura tridimensional. Però prenent moltes imatges a diferents orientacions del cristall s’obtindrà un conjunt de dades a partir de les quals es podrà fer una reconstrucció de l'estructura tridimensional, mitjançant un mapa tridimensional de densitat electrònica, el què han “vist” els fotons.

Dins d’aquest mapa es poden anar incloent els aminoàcids que es coneixen per la seqüència proteica. Així s'obté l’estructura de la proteïna: corroborem l'estructura primària, la secundària, la terciària i la quaternària si és que hem cristal·litzat un complex.

Per a que ens fem una idea, Maria duu una petita reixeta de microscopi electrònic que, en ser travessada per la llum d'un làser projecta la seva estructura en la paret. Molt didàctic!

Aleshores, a l'estructura tridimensional de la proteïna obtinguda gràcies a la llum del sincrotró es poden anar incloent els aminoàcids que es coneixen per la seqüència proteica. Així s'obté un mapa de la proteïna: corroborem l'estructura primària i la terciària.

Maria també ens duu rèpliques de la molècula astacina en tres tipus de models de representació, fetes amb impressores 3D. L'astacina és una proteasa que pertany al sistema digestiu del cranc de riu, i que conté uns uns dos-cents cinquanta aminoàcids.

Els models de la molècula ens permeten de veure què són les hèlix alpha i què les làmines beta, i com llaçades d'aminoàcids les connecten. I també on és el centre actiu, allà on succeeix la funció, que, en aquest cas, requereix una molècula de zenc per a ser funcional.

La forma de les proteïnes ve determinada per la funció que fa. Si és una proteïna que empaqueta, com són les histones, és més globular. Si és un enzim, com l'exemple, té un centre actiu del tipus clau-pany (substrat-centre actiu). Si és una proteïna de transport, com l'hemoglobina, l'estructura és més gran i té una cavitat on hi ha un grup hemo que s'uneix a l'oxigen.

Trobar les formes és un repte en biologia i medicina, ja que una seqüència errònia pot donar una forma errònia i, en conseqüència, una malaltia. Per trobar les formes de les proteïnes s'han concedit premis Nobel. Un dels més coneguts va ser el de Watson i Crick, i dels més i polèmics, pel tracte amb Rosalind Franklin.

L'estudi de les proteïnes es concentra en el Protein data bank, una base de dades pública, que pot ser emprada lliurament. El 2014 va ser l'any de la cristal·lografia, la UAB va fer un recull de premis Nobel donats per la tècnica, alguns d'ells són relacionats amb la biologia.

Maria, què va fer que et dediquessis a estudiar la forma de les proteïnes?
Quan estudiava la carrera, vaig adonar-me que s'estudiava molt el genoma, però no les proteïnes, les molècules que, en el fons, donen la cara, les que fan les accions. I a mi, m'agrada més el fenotip que el genotip. El que dóna la cara.

Un altre factor va ser que em va agradar molt estudiar la cristal·lografia, i precisament perquè no només inclou aspectes de la biologia sino que també de la física (com el fenomen de la difracció de rais X, que em va atraure molt). Així que aquí estic.

Gràcies, Maria!

Més informació a cosir i repuntejar
Alba, una nova forma de mirar la matèria, amb Ramon Pascual (22/10/2015)
L’empaquetament del material genètic, amb Marc Martí-Renom (18/10/2014)

28 mar. 2017

La plasticitat del genoma

Dimecres passat, 15 de març, va venir Josefa González, de l'Institut de Biologia Evolutiva (CSIC-UPF), per parlar-nos de la plasticitat del genoma.

Trajectòria
Pepi González ens va explicar la seva trajectòria com a científica, perquè tot just fa quinze dies ha guanyat la plaça d'investigadora al CSIC. La felicitem.

Ella va estudiar a la UAB, en el department de Genètica i Microbiologia al grup de recerca del Dr. Alfredo Ruíz, i amb ell va fer el doctorat, sobre les inversions en els cromosomes de diferents especies de Drosophila melanogaster. Ens explica que són més freqüents en el cromosoma X, que no pas en els autosomes, probablement perquè el DNA dels cromosomes sexuals es més repetitiu, entre d'altres factors.

27 feb. 2017

La plasticitat del cervell

Dimecres passat 15 de febrer havia de venir Antoni Rodríguez Fornells, investigador ICREA a l'Idibell per parlar de la plasticitat del cervell. Volíem que ens parlés dels canvis en el seu funcionament segons l’ús que se li dóna.

A primera hora del matí va escriure dient que era malalt, que no podia parlar. I, és clar, un ponent ha de parlar. Així que vaig tirar mà d'una bona amiga, que també és molt bona comunicadora. Lourdes Fañanas, professora i investigadora a la UB ens podia també parlar de la plasticitat del cervell des del punt de la malaltia mental. I de moltes altres coses.

22 ene. 2017

La metamorfosi dels insectes

Dimecres, 18 de gener va venir Xavier Bellés, de l'Institut de Biologia Evolutiva (CSIC-UPF) per parlar de la metamorfosi dels insectes. I les preguntes proposades per emmarcar la tertúlia són què fa que els insectes tinguin aquest èxit evolutiu? Per què colonitzen àmbits tan diferents en els seus diferents estadis de vida: larva, adult? Què provoca aquests canvis? Quan els humans hàgim desaparegut, restaran els insectes; què els fa superiors a nosaltres?

16 dic. 2016

Volar amb fàrmacs

Ahir dimecres, 14 de desembre, en el darrer cafè científic de tardor, Marta Torrens, psiquiatra, Parc de Salut Mar-Institut Hospital del Mar d’Investigacions Mèdiques (IMIM) ens va explicar què vol dir volar amb fàrmacs, una altra forma de volar que ens proporciona l’efecte d’alguns fàrmacs al cervell.

Quina mena de substàncies ho aconsegueixen? Com arriben al cervell? Quina empremta hi deixen? Per què creen addiccions? Per què han existit des de sempre els psicotròpics i per què també els animals en fan ús?

22 nov. 2016

Per què volen els avions?

Al Cafè Científic de la Casa Orlandai, dimecres 16 de novembre va venir Josep Losantos, pilot comercial d'avió i enginyer tècnic industrial per parlar sobre per què volen els avions?

Molts de nosaltres ens hem preguntat com és que poden volar, en pujar-hi. Què fa que un aparell carregat de persones sigui capaç de mantenir-se enlairat? Com ha d’estar dissenyat per aprofitar els fluxos d’aire? Quina és la força de l’aire? Com assoleixen la velocitat necessària? Quines formes de volar tenen els avions?

24 oct. 2016

La conquesta de l'espai

Dimecres, 19 d'octubre va venir Carme Jordi Nebot, física, professora de la Universitat de Barcelona (ICCUB-IEEC) per parlar sobre la conquesta de l’espai. Vam centrar la xerrada entorn les següents qüestions: volar més enllà de l’estratosfera és possible, com ho va somniar la ciència ficció. Quina necessitat hi ha d'observar des de l'espai? Què es pot fer i què no es pot fer des de la Terra? Quins són els projectes més rellevants? Com se gesta un projecte espacial? Quins són els avantatges i els desavantatges dels vols tripulats?


24 sept. 2016

Les fantàstiques migracions dels ocells

Hem encetat el curs de cafès científics a la Casa Orlandai. Aquesta tardor els dedicarem a aprendre sobre diferents qüestions relacionades amb la possibilitat de volar. Parlarem sobre el vol dels ocells, el vol dels humans gràcies a la tecnologia. I, finalment, clourem el trimestre volant des del sofà, amb fàrmacs.

Dimecres 21 de setembre, amb l'ornitòleg Sergi Sales vam parlar sobre les fantàstiques migracions dels ocells. Sergi va arribar a l'ornitologia des de l'enginyeria agrònoma, des de les tècniques de l'alimentació va poder dedicar-se professionalment al seu hobby, especialment als ocells de secà.

17 jun. 2016

Les ones gravitatòries

Ahir dimecres 15 de juny, al Cafè Científic de la Casa Orlandai va venir Roberto Emparan, investigador ICREA al Departament de Física Fonamental (ICC-UB), per parlar d'ones gravitatòries. Abans de començar el felicitem perquè li ha estat atorgada una Advanced Grant de l'ERC (European Research Council). Amb aquesta beca, ens confessa, té cinc anys per a buscar una nova forma d'estudiar els forats negres sense preocupar-se pel finançament.

Una nova col·lisió
Roberto ens explica que ell estudia els forats negres i que, en el mateix moment en què nosaltres som al cafè científic, a San Diego, la col·laboració científica LIGO explica en una roda de premsa que s'ha detectat una nova col·lisió i fusió entre dos forats negres, semblant a la que es va detectar el setembre i es va fer pública el febrer.

30 may. 2016

Les transicions del coneixement

Dimecres passat, 18 de maig vam parlar sobre les transicions del coneixement amb Agustí Nieto-Galán, del Centre d'Història de la Ciència (CEHIC), a la UAB. Ens vam remetre a les preguntes esbossades per encetar la conversa: com ha canviat el coneixement de la natura al llarg de la història? Es un procés acumulatiu, de progrés inqüestionable, o més aviat un camí traumàtic ple de ruptures, controvèrsies i revolucions? Podem separar el nostre coneixement de la natura del de la societat? I, entorn d'elles va girar la conversa.