Todos los fármacos inhibidores de proteasa en uso en la actualidad para combatir el VIH, así como los que se utilizan para combatir otras enfermedades infecciosas e incluso el cáncer, deben su existencia a un descubrimiento realizado hace más de 120 años por el científico alemán Wilhelm Kühne. En 1876, Kühne descubrió una sustancia en el jugo pancreático capaz de degradar otras sustancias biológicas. También descubrió que dicha sustancia, a la que llamó tripsina, se origina como un precursor inactivo, el tripsinógeno, que se transforma en la tripsina activa.

Kühne realizó sus investigaciones mucho antes de que los científicos hubieran analizado las sustancias químicas de los seres vivos. Actualmente, los científicos saben que en los ácidos nucleicos desoxirribonucleico (ADN) y ribonucleico (ARN) se almacena nuestra información genética. El ADN y el ARN especifican el orden exacto en el que las entidades químicas denominadas aminoácidos deben estar alineadas para formar las proteínas que, a su vez, resultan esenciales para el funcionamiento celular. Algunas proteínas, por ejemplo, forman una red a modo de esqueleto que confiere a las células su estructura. Otras permiten a la célula leer y reproducir las instrucciones genéticas codificadas en sus ácidos nucleicos. Y otras proteínas, llamadas enzimas, actúan a modo de catalizadores de la química biológica celular. Algunas enzimas permiten fabricar proteínas; otras las cortan.

El hallazgo de la tripsina convirtió a Kühne en el primer científico en descubrir una enzima que degradaba las proteínas. La tripsina resultó ser una proteasa, un tipo de enzima cuya función se sabe actualmente que consiste en cortar las proteínas al romper los enlaces entre los aminoácidos. De hecho, las proteasas abundan en las células humanas, ya que las células necesitan de distintas proteasas para realizar muchas de sus funciones.

El descubrimiento de Kühne fue el primer paso crucial en el desarrollo de los inhibidores de proteasa que se utilizan para combatir el VIH, pero aún tendría que pasar más de medio siglo para que los científicos llegaran a utilizarlo. A principios de la década de 1930, John H. Northrop y Moses Kunitz, de la Universidad Rockefeller de Nueva York, aislaron tripsina junto a otra enzima digestiva relacionada, la quimotripsina, y las identificaron como proteínas. Dos décadas más tarde, en 1952, Frederick Sanger, de la universidad inglesa de Cambridge, desarrolló un método para determinar la secuencia de aminoácidos de las proteínas. En la década de 1960, otros científicos determinaron las secuencias de aminoácidos de la tripsina y la quimotripsina. Estas enzimas, las principales bestias de carga de la digestión, descomponen conjuntamente las proteínas de los alimentos. Al comparar las secuencias de estas dos enzimas similares aunque funcionalmente diferentes, los científicos observaron por primera vez qué partes de las proteasas eran importantes para su funcionamiento.

Mientras se realizaban estas investigaciones para descodificar los componentes básicos de las enzimas, otros investigadores estaban utilizando otra técnica para estudiar las enzimas llamada cristalografía de rayos X, desarrollada durante la década de 1910. La cristalografía de rayos X permite a los científicos determinar las posiciones de los átomos de una molécula, produciendo un tipo de imagen de la estructura tridimensional de las moléculas. Es posible analizar mediante la cristalografía de rayos X las proteínas a las que se puede inducir para formar cristales (y actualmente no todas pueden). En la década de 1950, John Kendrew y Max Perutz, del Laboratorio de biología molecular del Consejo de investigación médica de Inglaterra, fueron los primeros en aplicar con éxito esta técnica en el estudio de la estructura proteínica. A finales de la década de 1960, se había determinado la estructura tridimensional de la tripsina, la quimotripsina y otra proteína digestiva, la elastasa. Al comparar las estructuras de estas proteasas estrechamente relacionadas, se obtuvo una gran cantidad de información sobre el funcionamiento de estas enzimas. De este modo, a finales de la década de 1960, varios científicos de todo el mundo comenzaban a comprender la composición química y la estructura molecular de las enzimas. Durante este mismo período, Christian Anfinsen y sus colegas del Instituto nacional de salud de Bethesda, Maryland, pensaron en combinar ambas técnicas para estudiar la relación entre la secuencia de aminoácidos de una enzima y su forma. Anfinsen demostró que los pliegues específicos de una molécula proteínica en concreto están determinados únicamente por la secuencia de sus 20 aminoácidos diferentes. Por ejemplo, los aminoácidos que repelen el agua son propensos a acabar en el interior de una proteína, donde no interaccionan con el entorno acuoso de una célula. Los aminoácidos solubles en agua, por el contrario, son mas comunes en la superficie exterior de las proteínas. Las estructuras tridimensionales de la tripsina, la quimotripsina y la elastasa se ajustaban a este modelo perfectamente. Anfinsen demostró también que la secuencia de aminoácidos está determinada a su vez por los genes que codifican la proteína.

Representación de la estructura y secuencia de la enzima tripsina, un miembro de las enzimas del tipo de las proteasas. (Robert Stroud/ Universidad de California, San Francisco)

Con el tiempo, los investigadores comenzaron a unir las piezas del funcionamiento de las enzimas y del significado de sus múltiples pliegues y giros, investigaciones que continúan en la actualidad. Todas las enzimas, ya sinteticen o dividan, actúan en moléculas de una sustancia determinada denominada sustrato, que puede ser cualquiera de una gran variedad de sustancias del organismo, entre las que se incluyen las proteínas y los ácidos nucleicos. Esta función tiene lugar en una parte de la enzima llamada sitio activo, una ranura o hueco cuya forma encaja exactamente con uno o, como mucho, unos pocos sustratos de forma similar. Una analogía imperfecta, pero útil, compara el sustrato con una mano y el sitio activo de una enzima con un guante. Al igual que un guante puede aceptar manos de varios tamaños, siempre que tengan forma de mano, no puede alojar más de una mano cada la vez. Una vez que una mano determinada se introduce en un guante, incluso aunque no encaje perfectamente, éste ya no estará disponible para otras manos. Cuando el compuesto inhibidor se une al sitio activo, evita que continúe la reacción enzimática.

Diagrama de la unión enzima/sustrato (Thomas A Steitz/Universidad de Yale)

Al descifrar la estructura de una enzima y las secuencias de sus aminoácidos, se puede observar cómo es el sitio activo y reconstruir la reacción química real que se produce entre la enzima y su sustrato. Esto, a su vez, constituye una poderosa herramienta para crear los compuestos inhibidores de enzimas específicas. De hecho, los científicos intentan diseñar inhibidores que presenten una afinidad aún mayor con los sitios activos que los sustratos naturales, de modo que el inhibidor gane la batalla por unirse a la enzima.

The National Academies

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