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Complejos ligando-receptor androgénico

En el capítulo3hemos mostrado cómo se unen los átomos de carbono en la molécula de la hormona esteroidea testosterona y hemos discutido con detalle su forma espacial. Su fórmula estructural espacial muestra que la testosterona posee un esqueleto relativamente plano con tres anillos de seis miembros y uno de cinco miembros. Sobre este esqueleto se sitúan algunos sustituyentes. En C3 encontramos un grupo carbonilo de cetona, en C17 un grupo hidroxilo orientado β, y en C10 y C13 existen dos grupos metilo (C19 y C18). Además, entre C4 y C5 hay un doble enlace, de forma que existe una región plana alrededor de estos átomos (ver figura 21).

También podemos distinguir regiones polares y apolares en la molécula. El carbonilo en C3 es un grupo polar en el que el átomo de oxígeno posee cierta carga negativa, y el carbono C3, cierta carga positiva. También el grupo hidroxilo en C17 tiene carácter polar con el átomo de oxígeno como centro negativo.

Ambos grupos tienen capacidad para actuar en la formación de puentes de hidrógeno. El grupo carbonilo puede actuar sólo como aceptor, mientras que el grupo hidroxilo puede actuar tanto como aceptor con el átomo de oxígeno, como dador con el H unido a dicho oxígeno.

La parte superior del esqueleto de esteroide con los dos grupos metilo y la parte central son las regiones apolares de la molécula, las cuales pueden interaccionar mediante fuerzas de Van der Waals (interacciones apolares) con las cadenas laterales apolares de los aminoácidos en el interior del bolsillo del receptor.

Las hormonas esteroideas que interaccionan con el receptor reciben el nombre de ligandos; la testosterona es el ligando natural para el receptor androgénico. Las interacciones mutuas a nivel molecular determinan la unión entre receptor y ligando. El receptor androgénico es una gran molécula de proteína con un bolsillo interior en el que debe encajar el ligando. Este bolsillo posee una forma complementaria a la del ligando. Además, la unión entre ligando y receptor viene determinada por interacciones de tipo polar y apolar y puentes de hidrógeno entre las cadenas laterales de los aminoácidos del receptor y la molécula del ligando. En el capítulo 6 hemos establecido los principios sobre los que se basan estas interacciones.

En el capítulo 5 hemos mostrado que una proteína está formada por aminoácidos que forman una gran cadena. El receptor androgénico está formado por la unión de 919 aminoácidos, aunque en algunos individuos se pueden producir ligeras variaciones en este número. Estos 919 aminoácidos unidos forman una molécula gigante con un peso molecular de aproximadamente 110.000 D.

Como hemos comentado anteriormente, la cadena de aminoácidos se pliega debido a las interacciones entre los enlaces peptídicos y entre las cadenas laterales de los aminoácidos para formar una especie de ovillo en el cual se pueden distinguir diferentes áreas llamadas dominios. Cada dominio tiene su lugar y función en el receptor.

El peso molecular de la testosterona es de sólo 288 D, lo que indica que este ligando es mucho más pequeño que el receptor androgénico. De hecho, sólo una pequeña parte del receptor forma el bolsillo en el que la testosterona ha de encajar. Esta parte del receptor se denomina dominio de enlace del ligando (LBD, del inglés Ligand Bonding Domain). En el receptor androgénico este dominio está formado por aproximadamente 256 aminoácidos, que ocupan las posiciones 663-919 de la cadena proteica.

Otros dominios del receptor se utilizan para la unión del complejo ligando-receptor con el ADN, necesaria para iniciar la síntesis de proteínas. En el capítulo 8 veremos las funciones de los diferentes dominios del receptor androgénico. En este capítulo nos centraremos en la función del LBD y su unión con el ligando.

Los factores que determinan la unión del ligando y del receptor androgénico están relativamente claros. Esto es importante porque la formación del complejo ligando-receptor androgénico es un paso esencial en el proceso de formación de las proteínas musculares. Cuando se produce la unión entre el ligando y el receptor, el complejo cambia completamente de forma. Esto permite al complejo liberarse de otras proteínas que le acompañan y transportarse hasta el núcleo de la célula donde interacciona con el ADN.

Las cadenas laterales de los aminoácidos del interior del bolsillo son esenciales en la unión con el ligando. Todas ellas experimentan interacciones débiles con el ligando, las cuales conjuntamente producen su unión. Sin embargo, la suma de todas estas interacciones es bastante inferior a la fuerza de un enlace covalente entre dos átomos de una molécula. La fuerza de un enlace C-C normal es de 88 kcal/mol, mientras que la fuerza de unión del ligando con el receptor se estima en 3040 kcal/mol. Esta interacción débil tiene su finalidad, ya que la unión del ligando con el receptor no debe ser permanente sino que ambos deben poder unirse o separarse según convenga. Por otra parte, una interacción mucho más débil no permitiría la formación del complejo.

En el bolsillo del receptor androgénico existen dieciocho aminoácidos que desempeñan un papel esencial en la unión con el ligando. Estos aminoácidos no se encuentran, en la mayoría de los casos, ocupando posiciones cercanas en la cadena proteica, aunque después del plegamiento de esta cadena se sitúan próximos en el espacio delimitando el interior del bolsillo.

La forma en que el ligando se une con el receptor se ha podido investigar mediante cristalografía de rayos X del complejo LBD-ligando. Se trata de una tarea complicada en la que el paso más difícil del proceso es la obtención de cristales adecuados del complejo ligando-receptor. En general, las proteínas no cristalizan fácilmente. Por esta razón no existen todavía rayos X del complejo del ligando con el receptor androgénico completo. Hasta la fecha se han podido obtener rayos X para cuatro complejos del LBD con cuatro ligandos diferentes (ver figura 22).

En 2006 se determinó la estructura por rayos X del complejo formado por la testosterona con el LBD del receptor androgénico [1]. También se ha determinado la estructura por rayos X de otro ligando natural, la dihidrotestosterona, con el LBD de este mismo receptor [2]. De manera similar se han determinado las estructuras por rayos X de los complejos del LBD del receptor androgénico con el esteroide anabolizante metribolona [3, 4] y con el esteroide de diseño tetrahidrogestrinona (THG) [1]. Estos dos últimos esteroides interaccionan con el receptor de una manera un poco diferente a como lo hacen los ligandos naturales testosterona y dihidrotestosterona.

De las estructuras por rayos X se deduce que en todos los casos se produce un enlace por puente de hidrógeno entre el grupo carbonilo en C3 y la cadena lateral de una molécula del aminoácido arginina situada en la posición 752 (Arg-752) de la cadena proteica. El grupo amino (NH₂) de Arg-752 actúa como dador de hidrógeno, y el oxígeno del grupo carbonilo, como aceptor (ver figura 23).

En los casos de los complejos de testosterona y dihidrotestosterona, los rayos X revelan que el aminoácido glutamina situado en la posición 711 de la cadena proteica (Glu-711) de -sempeña un papel en la unión del ligando con el receptor que no se observa en los complejos con la THG y la metribolona. Las estructuras más planas de THG y metribolona deben ser responsables de esta diferencia. En todos los casos, una molécula de agua presente en el bolsillo en las cercanías del grupo carbonilo desempeña un papel importante en la unión (esto no se muestra en la figura 23).

Las estructuras más planas de THG y metribolona también modifican ligeramente el ángulo del puente de hidrógeno entre el grupo carbonilo de estas moléculas y la cadena lateral de la arginina. La fuerza del puente de hidrógeno depende de este ángulo, mostrando su fuerza máxima cuando el enlace es lineal, con un ángulo de 180° entre los enlaces.

En todas las estructuras de rayos X se observa un puente de hidrógeno entre el átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo en C17 como dador y el átomo de oxígeno de un grupo amida en la cadena lateral de una molécula de aspargina situada en la posición 705 de la cadena proteica (Asp-705) como aceptor. Este grupo hidroxilo en C17 forma un segundo puente de hidrógeno, esta vez utilizando el átomo de oxígeno como aceptor, con el grupo hidroxilo del aminoácido treonina de la posición 877 (Thr-877) de la cadena proteica actuando como dador.

Las cadenas laterales apolares de los aminoácidos en la parte media del bolsillo presentan interacciones de tipo Van der Waals con la parte central apolar del esteroide. Estas interacciones se representan de manera esquemática para la dihidrotestosterona y el LBD del receptor en la figura 23; aunque se trata de una representación plana, el lector debe tener en cuenta que la magnitud de estas interacciones depende de la estructura tridimensional del ligando y del receptor.

La forma del ligando y del receptor y la presencia del grupo carbonilo en C3 y del grupo hidroxilo en C17 son factores reconocidos desde hace tiempo como importantes en la formación del complejo ligando-receptor y, por lo tanto, en la actividad del anabolizante.

Recientes estudios por rayos X de los complejos del LBD con testosterona, metribolona y tetrahidrogestrinona (THG) han demostrado que las masivas interacciones de Van der Waals que se producen entre los grupos apolares del ligando y las cadenas laterales apolares de los aminoácidos en el interior del bolsillo del receptor contribuyen de manera significativa a una mejor unión del ligando [1].

El número de interacciones de Van der Waals se incrementa al aumentar la superficie de la molécula del ligando. Los grupos etilo en C13 y C17 de la molécula de THG aumentan la superficie molecular, lo cual puede explicar la gran afinidad de la THG por el receptor.

El efecto de estos grupos metilo y etilo extra se puede también confirmar a partir de las afinidades de enlace del receptor androgénico con algunos derivados de la nandrolona que poseen grupos metilo extra en C7, C11 o en ambas posiciones (ver figura 24). El último compuesto, 17β-hidroxi-7α,11β-dimetil-4-estren-3-ona, no sólo muestra la mayor fuerza de unión con el receptor, sino también la mejor separación entre los efectos anabolizantes y androgénicos [5].

Se conocen esteroides anabolizantes con varios grupos metilo y etilo adicionales denominados esteroides “puercoespín” (porcupine steroids). Debido a la mayor superficie de estos grupos adicionales, estos esteroides deberían unirse mejor al receptor. Sería interesante explorar esta teoría e investigar el efecto biológico de anabolizantes con grupos metilo o etilo en los carbonos C14 y C15. Sin embargo, la síntesis de esteroides con mayor número de sustituyentes es compleja y encarecería el precio de estos anabolizantes.

Actualmente se considera que el hueco del receptor es más flexible de lo que se creía, de forma que podría permitir el acceso de nuevos esteroides “puercoespín”. Sin embargo, esta posibilidad es meramente especulativa y no ha sido confirmada experimentalmente. La forma de unión del ligando al receptor es casi impredecible. Algunas veces compuestos similares presentan uniones y comportamientos completamente diferentes, mientras que, en otros casos, compuestos diferentes producen efectos similares.

La naturaleza sutil del enlace ligando-receptor puede ilustrarse con el hecho de que la testosterona, la dihidrotestosterona y la metribolona presentan valores relativos de enlace con el receptor de 100, 180 y 290, respectivamente. A partir de estos valores se deduce que el esteroide sintético metribolona posee la mayor afinidad por el receptor. Esto podría ser debido a la mayor flexibilidad de su molécula, que permitiría una mejor acomodación en el interior del bolsillo del receptor. Esta mayor flexibilidad es resultado de la presencia de tres dobles enlaces situados adecuadamente en la molécula de metribolona. Los valores de afinidad anteriores demuestran también que no siempre el ligando natural (testosterona y dihidrotestosterona) es el que presenta mayor afinidad por el receptor, siendo posible mejorarla.

Los análisis de rayos X dan una buena idea de las interacciones ligando-receptor a nivel molecular. Esto es importante para el diseño de nuevos fármacos más selectivos y también para el diseño de nuevos esteroides anabolizantes selectivos y superactivos con una mejor separación de los efectos anabolizantes y androgénicos. Además, los investigadores pueden utilizar este conocimiento para desarrollar ligandos completamente nuevos cuyas estructuras no tengan nada que ver con el esqueleto de esteroide y que puedan unirse al receptor androgénico. Estos nuevos ligandos, denominados moduladores selectivos del receptor androgénico (SARM, del inglés Selecti-ve Androgen Receptor Modulators), se discutirán en el capítulo 21.

A pesar de lo dicho hasta ahora, una buena unión con el receptor no es el único factor que hay que tener en cuenta para obtener un resultado final óptimo. Es importante que los nuevos esteroides anabolizantes se absorban rápidamente y sean transportados eficazmente a la célula donde ejercen su acción sin ser metabolizados en el camino. El complejo ligando-receptor debe iniciar y mantener diversas interacciones con otras proteínas que participan en el proceso completo. Pequeños cambios en la forma del complejo podrían inhibir algunas de estas interacciones esenciales. Estos efectos no se observan normalmente en los ensayos en los que simplemente se mide la afinidad de unión del ligando con el receptor. En el próximo capítulo hablaremos con más detalle de estas interacciones que conducen a la formación de más músculo.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Pereira de Jesús-Tran K.; Cote P.-L.; Cantin L.; Blanchet J.; Labrie F.; Breton R. Protein Science 2006; 15, 987-999.

[2] Sack J.S.; Kish K.F.; Wang C.; Attar R.M.; Kiefer S.E.; An Y.; Wu G.Y.; Scheffler J.E.; Salvatie M.E.; Krystek S.R. jr; Weinmann R.; Einspahr H.M. Proceedings of the National Academy of Sciences 2001; 98, 4.904-4.909.

[3] Matias P.M.; Donner P.; Coelho R.; Thomaz M.; Peixoto C.; Macedo S.; Otto N.; Joschko S.; Scholz P.; Wegg A.; Basler S.; Schafer M.; Egner U.; Carrondo M.A. Journal of Biological Chemistry 2000; 275, 26.164-26.171.

[4] He B.; Gample R.T. jr; Kole A.J.; Hnat A.T.; Stanley T.B.; An G.; Stewart E.L.; Kalman R.I.; Minges J.T.; Wilson E.M. Molecular Cell 2004; 16, 425-438.

[5] Cook C.E.; Kepler J.A. Bioorganic and Medical Chemistry Letters 2005; 15, 1.213-1.216.