Priones: Agentes Infecciosos y su Impacto en el Sistema Nervioso

Los priones son agentes infecciosos constituidos por pequeñas partículas proteicas, sin ningún ácido nucleico, que afectan al sistema nervioso. Provocan encefalopatías espongiformes transmisibles en mamíferos. Un prion tiene la misma secuencia de aminoácidos que una proteína normal, pero presenta una estructura terciaria diferente. El problema es que la presencia de esta proteína anómala induce, por un mecanismo aún desconocido, la transformación de proteínas normales en anómalas. Desgraciadamente, este cambio de estructura afecta al funcionamiento de la proteína, que comienza a acumularse en las células del tejido nervioso y provoca su muerte.

Proteínas Defensivas del Organismo

Sistema del Complemento

• Conjunto de unas 30 proteínas plasmáticas (C1, C2, C3, y otras) que circulan por la sangre y, en ausencia de antígenos, están inactivas.
• En presencia de antígenos, como los de la superficie bacteriana, se van activando de forma secuencial, en cascada, favoreciendo la respuesta inflamatoria, la fagocitosis, la activación de los macrófagos y la lisis celular.
• Reconocen componentes básicos de los microorganismos, fijándose a ellos y favoreciendo su fagocitosis. Esta vía se conoce como la “vía alternativa” de activación del complemento.

Interferón

• Son pequeñas glucoproteínas segregadas por células infectadas por virus.

Células Inmunitarias Clave

Células Asesinas Naturales (NK)

Las células asesinas o Natural Killers (NK) son la primera defensa frente a virus y algunos tumores, pues ralentizan las infecciones mientras la respuesta inmunitaria se desarrolla por completo.

Leucocitos con Capacidad Fagocítica

Son glóbulos blancos capaces de engullir por endocitosis y digerir en su interior las partículas fagocitadas o microorganismos gracias a la acción de sus lisosomas.

Mecanismos Fundamentales de la Respuesta Inmunitaria

Respuesta Inflamatoria

Cuando se lesiona un tejido, se liberan sustancias químicas que dilatan los vasos sanguíneos y aumentan la permeabilidad vascular. Con la vasodilatación y el aumento de permeabilidad vascular, llega más sangre a la zona, y viajando en ella más leucocitos con capacidad fagocítica y proteínas defensivas que entran al foco de infección por diapédesis.

Especificidad Inmunológica

Los linfocitos reconocen específicamente determinadas moléculas llamadas antígenos y fabrican anticuerpos, capaces de unirse a un antígeno concreto y no a otros.

Memoria Inmunológica

Tras entrar en contacto por primera vez con un antígeno, el sistema inmunitario “recuerda” ese antígeno de forma que, ante una segunda infección por ese mismo antígeno en el futuro, la respuesta es más rápida, más potente y eficaz.

Selección Clonal

Existen cientos de millones de clones de linfocitos, ya preformados, cada uno con un receptor de membrana distinto y específico contra un antígeno concreto. Estos receptores se llaman TCR (“T-Cell-Receptor”) en los linfocitos T y BCR (“B-Cell-Receptor”) en los linfocitos B. Cuando un agente invasor penetra en el organismo, debe presentarse a los linfocitos, generalmente a través de una célula presentadora de antígenos.

Tolerancia Inmunológica o Autotolerancia

El sistema inmunitario tiene la capacidad de diferenciar los componentes de su propio organismo de los elementos extraños o no propios. Por tanto, las células del sistema inmune (tanto los linfocitos T como los B) tienen que aprender a distinguir las células propias y no destruirlas, si no se corre el riesgo de padecer enfermedades autoinmunes. La tolerancia inmunológica es un proceso de selección negativa que elimina todos los linfocitos cuyos receptores antigénicos se pueden unir a los receptores de membrana de las células propias. Esto ocurre durante la etapa embrionaria y, como resultado, se eliminan todos los posibles linfocitos que podrían producir anticuerpos frente a los antígenos propios.

Antígenos: Desencadenantes de la Respuesta Inmune

Un antígeno es una molécula, generalmente una proteína o un polisacárido, que el sistema inmunitario adquirido reconoce como extraña, por lo que se desencadena una respuesta inmunitaria específica. Generalmente, los antígenos están localizados en la superficie de los patógenos e inducen la formación de anticuerpos frente a ellos. Los antígenos poseen regiones concretas, constituidas por un número reducido de aminoácidos o de monosacáridos, que son las reconocidas por anticuerpos específicos y a las que se denomina epítopo o determinante antigénico. Un mismo antígeno puede tener varios determinantes antigénicos. La región del anticuerpo que se une al antígeno (interacciona con el epítopo) se llama parátopo.

Linfocitos: Actores Principales de la Inmunidad Adaptativa

Linfocitos B

• Se originan y maduran en la médula ósea, excepto en aves, en las que maduran en la llamada Bolsa de Fabricio.
• Son responsables de la llamada respuesta inmune humoral o inmunidad mediada por anticuerpos.
• Existe una inmensa variedad de linfocitos B, cada uno de los cuales tiene en su superficie un anticuerpo diferente.
• Cuando un antígeno extraño penetra en el organismo, acaba encontrando un linfocito que posee el anticuerpo capaz de reaccionar con él.
• Para que un linfocito B pueda producir anticuerpos es absolutamente necesaria la intervención y colaboración de los linfocitos T colaboradores (Th).

Linfocitos T

• Maduran en el timo y son los responsables de la respuesta inmune celular, atacando las células alteradas o infectadas.
• Cada linfocito T puede reaccionar a un antígeno específico.
• Linfocitos T8 (o citotóxicos): Actúan directamente destruyendo células del propio organismo, ya sean infectadas o cancerosas, aunque también actúan frente a células eucariotas no propias (trasplantes).
• Linfocitos T4 (o colaboradores/Th): Son responsables de la puesta en marcha de la respuesta inmunitaria.
• Linfocitos Ts (o supresores): Inhiben la respuesta inmune cuando esta ya no es necesaria.

Anticuerpos (Inmunoglobulinas): Estructura y Función

Los anticuerpos son glucoproteínas globulares, en forma de Y, formadas por cuatro cadenas polipeptídicas a las que se unen glúcidos mediante enlaces O-glucosídicos o N-glucosídicos. Se encuentran en el plasma sanguíneo, la linfa y en secreciones corporales. Son fabricadas por las células plasmáticas (linfocitos B activados) como respuesta a la entrada de un antígeno específico en el organismo, para destruirlo o neutralizarlo.

Estructura de una Inmunoglobulina

• Cada anticuerpo está constituido por 4 cadenas polipeptídicas iguales dos a dos: 2 cadenas pesadas (H, más largas) y otras 2 cadenas ligeras (L).
• Las cadenas pesadas (H) están unidas entre sí mediante una zona bisagra con enlaces disulfuro (S-S).
• Las cadenas ligeras (L) se unen a los brazos de las cadenas pesadas también mediante enlaces disulfuro.
• Cada una de las 4 cadenas posee una región o dominio constante en el extremo carboxi-terminal (-COOH) y otra variable en el extremo amino-terminal (-NH2).
• Las regiones variables de las cadenas ligeras y pesadas se localizan en la misma zona y constituyen los sitios de unión al antígeno.
• Los anticuerpos son bivalentes, pues tienen dos zonas de unión a antígenos.

Reacción Antígeno-Anticuerpo

Cuando los antígenos reaccionan con los anticuerpos forman complejos antígeno-anticuerpo. La unión es rápida, específica y también reversible porque se trata de enlaces débiles. La afinidad de un anticuerpo por un antígeno depende de las interacciones que se establezcan entre el epítopo del antígeno y el parátopo del anticuerpo.

SIDA: Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida

El SIDA (Síndrome de Inmunodeficiencia Adquirida) es una inmunodeficiencia secundaria o adquirida provocada por el ataque del retrovirus VIH (Virus de la Inmunodeficiencia Humana) principalmente a los linfocitos T4, también conocidos como T colaboradores o Th (el virus se une a las proteínas CD4 de su superficie). La enfermedad se transmite por sangre, semen o fluido vaginal y en el contacto madre-hijo.

En las primeras semanas tras haberse producido la infección, aumenta rápidamente el número de virus presentes en la sangre, al tiempo que disminuye el número de linfocitos T4. En esta etapa, los linfocitos B activados por los T4 colaboradores producen anticuerpos en respuesta a los antígenos del virus. Estos anticuerpos permiten detectar a las personas seropositivas, es decir, infectadas por el VIH. No hay que confundir ser seropositivo con ser enfermo de SIDA.

Tras una fase de latencia clínica (sin síntomas, pero con capacidad infectiva) que puede durar años, la fase de SIDA se produce cuando el número de linfocitos T4 desciende por debajo de un valor crítico y deja al organismo expuesto a la infección por microorganismos oportunistas y cánceres como el sarcoma de Kaposi. Actualmente, en los países desarrollados, existe tratamiento con antirretrovirales y ser VIH positivo se considera como una especie de enfermedad crónica.

Inmunidad Humoral vs. Inmunidad Celular

Mientras que la inmunidad humoral se ocupa de los patógenos extracelulares, la inmunidad celular se encarga de los intracelulares (virus y algunas bacterias) que escapan al ataque por parte de la inmunidad humoral.

Respuestas Inmunes Primaria y Secundaria: La Base de la Vacunación

Respuesta Inmune Primaria

Se produce tras el primer contacto con el antígeno. Este contacto provoca la proliferación de linfocitos y la formación de células de memoria (responsables de la memoria inmunológica). Existe entonces un pequeño periodo de latencia y, al cabo de varios días del contacto, empiezan a aparecer anticuerpos en sangre, especialmente IgM (pentámeros) cuya producción va aumentando de forma exponencial, luego se estabiliza y finalmente empieza a declinar. Posteriormente también empieza a aparecer IgG, aunque, como veremos, las IgG cobrarán especial relevancia en el segundo contacto con el antígeno. La disminución de la concentración de anticuerpos, tanto IgM como IgG, indica que la infección ha sido eliminada. Eso sí, una parte de linfocitos B se ha diferenciado en células de memoria y, a partir de ese momento, va a permanecer circulando en sangre.

Respuesta Inmune Secundaria

Se produce cuando un antígeno accede por segunda vez al organismo. Su fase de latencia es mucho más corta que en la respuesta primaria. Las células de memoria reconocen enseguida al antígeno y proliferan rápidamente. Se generan IgG de forma más rápida y con mucha mayor intensidad. Además, las IgG pueden perdurar largo tiempo en la sangre. Este tipo de respuesta inmune indica que existe una memoria inmunológica y es la base del funcionamiento de las vacunas.

Con la administración de una vacuna (inmunización artificial activa) a una persona que no ha entrado antes en contacto con un antígeno determinado se consigue desencadenar una respuesta inmune primaria. Cuando el verdadero patógeno real nos infecte, tendremos ya células de memoria circulando en sangre y se desencadenará una respuesta secundaria mucho más potente y rápida. El antígeno administrado mediante la vacunación hace que, mediante los linfocitos T colaboradores (Th), se activen los linfocitos B con el receptor específico para luchar contra ese antígeno y que se transformen en células plasmáticas productoras de anticuerpos. Algunos de estos linfocitos B activados quedarán como células de memoria, de forma que la persona vacunada adquiere memoria inmunológica y podrá generar con rapidez y gran eficacia una respuesta secundaria en caso de nueva entrada del antígeno.

Ciclo de un Retrovirus en una Célula Eucariota

Los retrovirus como el VIH tienen ARN como ácido nucleico, cápside y envoltura lipídica con glucoproteínas dispuestas hacia el exterior a modo de espinas. Además, poseen la enzima transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, capaz de sintetizar ADN a partir del ARN. La importancia de esta enzima en el ciclo de los retrovirus es vital. Sin la enzima transcriptasa inversa, el material genético del virus, al ser ARN, nunca podría insertarse en el ADN de la célula huésped y el retrovirus no podría replicarse.

Ciclos Infectivos de los Virus

Los virus no poseen metabolismo propio, así que infectan células con el fin de producir copias y copias de sí mismos, dirigiendo el metabolismo de las células en su propio beneficio. Una vez han introducido su ácido nucleico en la célula hospedadora, pueden seguir dos caminos: o multiplicarse y originar nuevos virus rápidamente lisando la célula (ciclo lítico) o bien integrar su ácido nucleico en el genoma de la célula hospedadora y adoptar entonces la forma de profago (ciclo lisogénico). (En el caso de virus lisogénicos que infectan a células eucariotas se denominan provirus o virus atemperados).

Vacunas de ARNm: Un Enfoque Innovador

Las vacunas ARNm funcionan al introducir un fragmento de ARNm que corresponde a una proteína viral, en general un pequeño fragmento de una proteína que se encuentra en la membrana externa del virus. Al utilizar este modelo, las células producen la proteína viral. Como parte de una respuesta inmunitaria normal, el sistema inmunitario reconoce que la proteína es extraña y produce proteínas especializadas llamadas anticuerpos.

Tipos de Reacciones Antígeno-Anticuerpo

Precipitación

• Los antígenos son macromoléculas con varios determinantes antigénicos disueltos en los líquidos corporales. Cuando se unen a los anticuerpos, forman complejos antígeno-anticuerpo insolubles que precipitan.

Aglutinación

• Los antígenos se encuentran en la superficie de bacterias u otras células, y cuando se unen con los anticuerpos, originan puentes entre ellos, formándose agregados, lo que facilita su destrucción. Esto ocurre, por ejemplo, cuando se hacen transfusiones entre grupos sanguíneos incompatibles.

Neutralización

• El anticuerpo se une al antígeno, eliminando los efectos negativos que tiene sobre el organismo invadido.

Opsonización

• Los microorganismos son fagocitados más rápidamente por los fagocitos si tienen anticuerpos en la superficie. Los complejos antígeno-anticuerpo aumentan la adherencia a la superficie de los macrófagos. Esto consiste en la unión del anticuerpo a los antígenos presentes en la superficie del patógeno.

Microorganismos en la Industria y Biotecnología

Fermentación Alcohólica

Proceso por el que, a partir del piruvato obtenido en la glucólisis a partir de la glucosa, se obtiene etanol, liberándose además CO2 (la reacción regenera el poder reductor NAD+). No necesita presencia de O2 (metabolismo anaerobio). Es realizada principalmente por levaduras anaerobias facultativas, entre las que destaca Saccharomyces cerevisiae, que se emplea en la fabricación de vino, cerveza, alcoholes industriales y pan.

• El vino se obtiene de la fermentación alcohólica de los azúcares del zumo de uva.
• La cerveza se elabora a partir de cereales (principalmente cebada) cuyos granos se hacen germinar para que se degrade el almidón a glucosa (del proceso se obtiene malta). La glucosa es fermentada por Saccharomyces, que la transforma en etanol.
• Las bebidas alcohólicas de mayor graduación se obtienen mediante la destilación del alcohol obtenido por fermentación de diversos productos.
• En el pan, Saccharomyces fermenta los azúcares de la harina de trigo, generando etanol y CO2. El CO2 liberado aumenta el volumen de la masa y le proporciona el aspecto esponjoso al pan. La cocción evapora el alcohol y destruye las levaduras.

Fermentación Láctica

Proceso por el que el piruvato obtenido en la glucólisis a partir de la glucosa se reduce a ácido láctico (la reacción es catalizada por la enzima lactato deshidrogenasa y se regenera el poder reductor NAD+). Para la fermentación, no es necesaria la presencia de O2. La leche contiene el disacárido lactosa que se hidroliza a galactosa y glucosa. Posteriormente, la galactosa se isomeriza dando glucosa gracias a una enzima isomerasa. Estas dos glucosas entrarán en la vía de la glucólisis (generando 2 ATP cada una) y posteriormente es cuando se produce la fermentación láctica.

Producción de Antibióticos

Los antibióticos son sustancias químicas, producidas de forma natural por ciertos microorganismos como ciertos hongos y bacterias del suelo, que matan (bactericidas) o inhiben el crecimiento (bacteriostáticos) de otros microorganismos (nunca de virus).

Uso de Microorganismos en la Industria

Se han empleado microorganismos para fabricar pan, vino o cerveza desde la antigüedad. No obstante, con las mejoras tecnológicas a nivel industrial y la aparición de la ingeniería genética, las aplicaciones de la biotecnología se han disparado en las últimas décadas. Para poder cultivar microorganismos en el laboratorio, es necesario contar con medios de cultivo que contengan todos los nutrientes necesarios para el crecimiento del microorganismo. Todo medio debe mantenerse a la temperatura adecuada (en estufas a temperatura constante). Además, hay que controlar el pH y la disponibilidad o no de oxígeno. Los microorganismos escogidos para aplicaciones biotecnológicas deben ser inocuos, no tener excesivas exigencias nutricionales y, en el caso de que se utilicen técnicas de ADN recombinante, ser fácilmente manipulados genéticamente. Además, interesa que los microorganismos produzcan grandes cantidades de las sustancias de interés en poco tiempo. Por ello, es necesario que crezcan rápidamente y puedan mantenerse estables en los medios de cultivo líquidos utilizados normalmente en la industria.

Biorremediación

La biorremediación (o remediación biológica) es cualquier proceso biotecnológico que utiliza microorganismos, hongos, plantas o las enzimas derivadas de ellos para recuperar un medio ambiente alterado por contaminantes a su estado natural. Es una parte de la biotecnología ambiental que aprovecha la diversidad de los organismos y su potencial metabólico para el tratamiento de residuos o la eliminación de contaminantes orgánicos o inorgánicos. Puede tener muchas utilidades:

• Uso de microorganismos en la eliminación de mareas negras: Bacterias como Pseudomonas son capaces de degradar el petróleo, por lo que pueden ser empleadas para ayudar a eliminar vertidos en el mar.
• Eliminación de metales pesados: Existen microorganismos capaces de transformar metales pesados en otras formas químicas menos tóxicas. Por ejemplo, en residuos líquidos de la minería.
• Depuración de aguas residuales y compostaje.
• Control de plagas.

Técnicas de Biotecnología Moderna

PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa)

Es una técnica que permite amplificar un fragmento específico de ADN para obtener grandes cantidades a partir de una muestra pequeña. La PCR se basa en la capacidad de la ADN polimerasa de sintetizar nuevas cadenas de ADN a partir de un molde. En la PCR, se utilizan dos cebadores, que son fragmentos de ADN cortos que se unen a las dos extremidades del fragmento de ADN que se desea amplificar. La ADN polimerasa se une a los cebadores y comienza a sintetizar nuevas cadenas de ADN a partir de ellos. Para poder realizar la PCR son necesarios varios componentes:

• Una muestra de ADN que se quiere amplificar.
• Cebadores: Fragmentos de ADN que se unen a los dos extremos del fragmento de ADN que se desea amplificar.
• Una fuente de calor.
• ADN Polimerasa (Taq polimerasa) resistente al calor, ya que la desnaturalización del ADN se hace próxima a 100 grados y la enzima ADN polimerasa, al ser una proteína, se desnaturalizaría.
• Nucleótidos para formar las nuevas cadenas de ADN.

CRISPR-Cas: Edición Genética

CRISPR-Cas es una técnica de edición genética que permite a los científicos cortar y pegar el ADN de manera precisa. Está basada en un sistema inmunológico de defensa natural que utilizan las bacterias para defenderse de los virus. Cuando un virus ataca a una bacteria, esta última incorpora una pequeña porción del ADN del virus en sus propias secuencias CRISPR. Después, si el mismo virus intenta infectar nuevamente, el sistema CRISPR-Cas reconoce la secuencia específica y la proteína Cas corta el ADN viral, desactivándolo.