Práctica: Proteínas. La seda de la araña

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2 de octubre, 2021

LOS LEUCOCITOS

Laseda sedade dela laaraña araña La Figura 1.

BIOLOGÍA V

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Arcos Argueta Dulce Maria García Hernández Alonso Lira Morales Tania Elena Ruiz Valay Laura Rebeca

Figura 2.- Araña vampiro (Evarcha culicivora)

EN ESTE NÚMERO 03 Proteínas de la araña 03

Propiedades generales

04 Propiedades

Presentación En esta edición especial con temática "Halloween" de la revista "Los Leucocitos", hablaremos de las estructuras proteicas creadas por uno de los animales más característicos de esta época "La seda de araña".

Con ayuda de un biomodel creado por Angel Herráez de la Universidad de Alcalá, España, explicaremos algunas características de la telaraña y hablaremos sobre sus aplicaciones y otros datos interesantes de su impresionante estructura, además les contaremos sobre algunos intentos de hacer esta maravillosa seda de manera sintética.

estructurales

05 Biosíntesis de la seda

06 Genes de las espidroínas 07 Aplicaciones 08 Seda de araña sintética: "Las cabras araña"

09 Referencias

Esperamos que estés MUERTO de curiosidad por aprender sobre lo increíbles que son las telarañas, y si es así quédate con nosotros y aprende sobre este asombroso tema.

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s a ñ a r a s a l e d Proteínas La seda es un material fibroso que algunos artrópodos secretan a través de glándulas especiales. Las arañas son capaces de producir diferentes clases con distinta elasticidad, resistencia, flexibilidad, grosor, adhesividad, afinidad o repelencia al agua. Esta seda se compone de dos tipos de proteínas, espidroína-1 (MaSp1) y espidroína-2 (MaSp2). (Ibarra, 2008) En el módulo de aprendizaje de "La seda de araña" se nos explica que en 1907 gracias al método de análisis de aminoácidos, se determinó que la seda está constituida por proteínas llamadas esfibrolina. Las fibras de seda tiene un núcleo central constituido por las proteínas, denominadas de forma genérica espidroínas. Las fibroínas son proteínas grandes (>250 kDa) con una elevada proporción de aminoácidos pequeños.

s e l a r e n e G s e d a d Propie La seda de araña está formada sólo por proteínas Las fibras de seda son muy delgadas, con un diámetro aproximado de 5 micrómetros.

Una telaraña de 50 a 100 cm2 utiliza tan solo unos 180 microgramos de proteína.

La seda es muy difícil de disolver o degradar.

Resiste hasta -40 °C y hasta 230 °C. Es diferente de la seda de lepidópteros.

La seda de araña es soluble: - En fórmico 88% (v/v) y en mezcla propiónico + clorhídrico concentrados - En elevadas concentraciones de sales: LiBr, CaCl2 y otras sales de Ca en LiSCN y LiClO4 (fuertemente caotrópicos) Si tras disolver se dializa o se diluye con los tampones usuales entonces se precipitará o formará geles, este fenómeno se debe a la formación de láminas beta.

Figura 3.

Es difícil hidrolizarla: Se consiguen hexapéptidos o fragmentos menores tratando con HCl 6M, 3 min a 155°C (Los más abundantes son GQGAG, GAGQG, GYGGLG y AAAA) Se consiguen aminoácidos libres en HCl 6M, 16 h a 108°C Resiste la mayoría de enzimas proteolíticas Los Leucocitos

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s e l a r u t c u r t s E s e d a Propied Resistencia a la tensión En palabras de Herráez, la seda de araña es el material más resistente conocido, en términos de fuerza aplicada por unidad de masa (es decir, hay otros que resisten más fuerza pero son más pesados).

Comparada con el acero de alta resistencia tensil y con el kevlar, la seda de araña requiere más fuerza para romperse, por unidad de masa.

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Resistencia muy superior a la del pelo, la lana y la seda de gusano.

Para un mismo diámetro, la seda de araña y el acero aguantan el mismo peso, pero el acero pesa 5 veces más. .

3 veces más resistente que la aramida

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Las espidroínas I y II parecen estar asociadas de forma bastante estrecha, y no se ha conseguido determinar la masa molecular de cada una de ellas. En esa asociación es probable que haya enlaces disulfuro implicados.

Elasticidad Se mide como el aumento de longitud como consecuencia del máximo estiramiento, referido a la longitud inicial de la fibra sin tensión. Así, un valor de 100% significa que la fibra puede estirarse hasta una longitud doble a la inicial. (Biomodelo) El componente principal de la espiral de captura de una telaraña es la seda flageliforme, que es producida por la glándula flageliforme. Tiene varias características distintivas las cuales le proporcionan una gran elasticidad (puede estirarse hasta el 200% de su propia longitud). El mecanismo molecular de tal elasticidad es la formación de un resorte molecular.

Por otro lado, la seda tubuliforme tiene una resistencia a la tensión relativamente alta, pero con una elasticidad bastante baja. (Tokareva et al, 2014) Los Leucocitos

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Biosíntesis de la seda En el Biomodel se establece que la síntesis de las proteínas que componen la seda tiene lugar en las células constituyentes de las glándulas, de acuerdo con los mecanismos comunes de síntesis de cualquier proteína (expresión de los genes mediante la transcripción, maduración postranscripcional de los ARN mensajeros resultantes y traducción de éstos en los ribosomas).

Los aspectos peculiares de la biosíntesis de la seda de araña están relacionados con la forma como las moléculas de proteína se organizan en fibras.

Para explicar mejor el proceso de hilado son necesarias algunas consideraciones bioquímicas como lo son:

Síntesis Proteica Figura 5. Estructura molecular.

En las arañas tejedoras orbiculares mejor estudiadas, producen una variedad de fibras de alto rendimiento con propiedades mecánicas que superan a los materiales sintéticos en la combinación de resistencia y elasticidad, se ha observado que los componentes principales del núcleo de la fibra de seda son dos espidroínas (Tokareva et al, 2014)

En Nephila clavipes: MaSpI o NCMAG1 y MaSpII o NCMAG2 (de

Major ampullate spidroin y Nephila clavipes major ampullate gland)

En Araneus diadematus: ADF-3 o ADMAG1 y ADF-4 o ADMAG2 (de

Araneus diadematus fibroin y Araneus diadematus major ampullate gland)

Estas proteínas suponen el 50% del peso total de la glándula de una de estas arañas.

Debido a la composición de aminoácidos de la seda, las células de la glándula secretora poseen una dotación superior a lo normal de los tRNAs específicos para Ala y Gly.

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Estructura de la fibra El núcleo de las fibras de seda está envuelto por capas concéntricas de nanofibrillas de glicoproteína, paralelas al eje de la fibra o bien enroscándose en espiral a su alrededor.

Formación de la fibra Angel Herráez nos explica que la formación de las fibras de seda se da gracias a que según van avanzando a lo largo de la glándula, las moléculas de espidroína se van organizando, hasta formar un cristal líquido. Las cuales poco antes de llegar al extremo de la glándula, a unos 4 mm de la salida al exterior, se convierte en una hebra sólida e insoluble.

Se ha comprobado que en él aumenta el contenido de lámina beta, lo cual se cree que está relacionado con la formación de más enlaces de hidrógeno en ellas. Las espidroínas se despliegan y revelan zonas hidrofóbicas, por lo que se agregan y expulsan el agua que contenían. Justo antes de salir se separan más moléculas de agua y el último resto se pierde luego, tras salir la fibra al exterior, por evaporación rápida. De este modo la araña recupera, recicla, casi toda el agua, lo cual es muy importante para que el continuo proceso de hilado no la perjudique.

La araña es capaz de hilar a una velocidad de entre 2 y 80 cm por segundo.

Las proteínas se acumulan en el interior de la glándula en una disolución de pH ácido, con una concentración de 30 a 50% en masa.

Genes de las espidroína En el biomodel de la Universidad de Alcalá podemos encontrar que para sintetizar a gran escala las proteínas de la seda de araña, es necesaria la ingeniería genética . Para ello es esencial ubicar y conocer los genes que codifican estas proteínas. En este estudio se emplearon algunas sondas de oligonucleótido que, mediante ensayos de hibridación, permitieron ubicar en el genoma los genes de interés.

Para estudiar el gen de la espidroína 1 de Nephila clavipes se utilizó como sonda este oligonucleótido: 5’-CCNGGNCCATANCC-3’

Se escoge esta secuencia para la sonda ya que esta debe hibridar con una parte del gen. Se usa el código genético para descubrir qué secuencia de aminoácidos está codificada por esa sonda o por su hebra complementaria.

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Aplicaciones Tradicionalmente Los pescadores polinesios usan los hilos de la araña tejedora dorada Nephila para pescar, como sedal.

En los arrecifes de coral en Nueva Guinea, Nueva Irlanda, Nueva Bretaña y las Islas Salomón pescan con una cometa de hojas de palma de la que cuelga un hilo y una telaraña, que hace de cebo.

En las Nuevas Hébridas, la telaraña se usaba para fabricar redes en las que transportaban puntas de flecha, veneno para las puntas de flecha y tabaco.

Algunas tribus de Nueva Guinea usaban las telarañas como sombreros para protegerse de la lluvia.

Futuras Herráez, en el biomodel de la "Seda de araña" divide sus aplicaciones futuras: PROTECCIÓN: Creación de ropa, chalecos antibalas y calzado ligero. Ya que es resistente al desgaste.

ESTRUCTURA: Creación de cinturones de seguridad, cuerdas de paracaídas, redes, cables de suspensión de puentes, paneles inoxidables para barcos y vehículos de motor y parachoques de auto.

MEDICINA: Suturas quirúrgicas, vendajes, piel artificial, ligamentos de reemplazo (injertos), tendones artificiales, soporte para vasos sanguíneos debilitados. Esto es debido a su biocompatibilidad y se debe principalmente a que la seda tiene actividad antitrombótica y baja actividad proinflamatoria, además de que, por ser una proteína, es biodegradable.

TECNOLOGÍA: Nanocables conductores, nanofibra óptica hueca.

TEXTIL: Clásico: enzimas para el procesado textil: desencolado, lavado.

Nuevo: fibras que simulen el comportamiento enzimático.

Algodones transgénicos con propiedades mejoradas (longitud, resistencia, resiliencia, reactividad, absorción...)

Poli(ácido láctico) [PLA].

OTROS: Botellas biodegradables.

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Seda de araña sintética En la Universidad de Bayreuth, en Alemania, algunos científicos aseguran haber creado una seda de araña artificial igual de resistente que la natural, esto lo consiguieron gracias a una bacteria que se encuentra en los intestinos de los humanos y de los animales.

El profesor Thomas Scheibel comenta que una de las propiedades más especiales de la seda de araña es su resistencia que se obtiene gracias a su dureza y su elasticidad. La seda sintética no tiene la misma dureza que la natural, pero si es más elástica lo que le permite estirarse mucho más.

Gracias a su biocompatibilidad, la seda artificial podría tener muchísimas aplicaciones. Simplemente para el 2015 estos científicos alemanes ya habían desarrollado productos como los cosméticos y cremas para la cara, además de revestimiento de implantes. Y se encontraban trabajando en la combinación de células de ratones con su seda sintética para crear células con las que se puedan desarrollar músculos cardíacos, piel o tejido nervioso. (Euronews, 2015)

Las cabras araña Figura 6. Cabra

A principios del año 2000 nacieron dos cabras en los laboratorios de Nexia Biotechnologies, estas cabras no eran cabras cualquiera ya que eran los únicos animales que portaban un gen de araña en su código de aproximadamente 70 000 genes. Pronto les siguió todo un rebaño de 40 cabras capaces de producir leche con proteína de araña. Esta "leche de araña" sintética se vendía con el nombre de BioSteel, y consistía en una familia completa de proteínas de seda de araña. Su tecnología hacía uso de las similitudes anatómicas de la glándula de seda de la araña y las glándulas mamarias de los mamíferos. Por desgracia, algunas de las propiedades que hacen tan interesante a la proteína de seda hacen que sea difícil trabajar con ella, ya que no es fácil de manipular y de mantener en disolución, además de tener la tendencia a precipitarse y que es insoluble en los disolventes comunes. (Catalá, 2008) Las "cabras araña", son ejemplo de un "Homo Deus" muy temerario y polémico, desarrollado en un campo conocido como biología sintética, un término amplio en el que se incluyen diversas formas de manipulación de ADN y fundamentalmente la introducción de nuevo material genético en un organismo. Todas estas modificaciones se hacen con el fin de beneficiar al ser humano, en el caso de las cabras araña los investigadores lo desarrollaron para poder recolectar la proteína de seda de la leche para varias aplicaciones. Por ejemplo, usos médicos, como hacer ligamentos y tendones artificiales, para suturas oculares y para la reparación de la mandíbula.

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Fuentes de referencia Catalá, R. (junio, 2008). Seda de Araña. [Versión electrónica]. ¿Cómo ves? Guía del maestro. ......No. 115. Consultado el 30 de septiembre del 2021, en: ......http://www.comoves.unam.mx/assets/revista/115/guiadelmaestro_115.pdf Euronews [euronews (en español)]. (23 abril, 2015). Científicos alemanes crean seda de ......araña artificial - science [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch? ......v=4hxfAsD8weY Herraéz, A. (s.f). La seda de la araña. Biomodel. Universidad de Alcalá. ......http://biomodel.uah.es/model5/seda-aran/inicio.htm Pérez, G. [UAMVIDEOS]. (17 febrero, 2017). La telaraña de tarántula tendría utilidades ......tecnológicas. [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=s__J9ffocEs&t=1s Tokareva, O, Jacobsen, M., Buehler, M., Wong, J. y Kaplan, D. L. (2014). Structure-function......property-design interplay in biopolymers: Spider silk. Acta Biomaterialia. 10:1612-1626. ......Recuperado de: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2013.08.020 Ibarra, G. (2008). Seda de araña. ¿Cómo ves?. 115: 11-14. Recuperado el 1 de octubre del ......2021, de: http://www.comoves.unam.mx/numeros/articulo/115/seda-de-arana

Imágenes Fig.1.- Ali Müftüogullan de Pexels. Black Spider Graphic. [Ilustración]. Recuperado el 2 de octubre de 2021 en Canva.

Fig.2.- Evarcha culicivora-araña vampiro. [Fotografía]. Recuperado el 1 de octubre del 2021 de https://entomoblogg.blogspot.com/2015/08/la-arana-vampiro-vs-lamalaria.html Fig.3.- MauMyHaT. Spiderweb. [Fotografía]. Recuperado el 30 de septiembre del 2021 de Canva.

Fig.4.- NastyaSensei Sens. Shallow Focus Photography of a Spiderweb with Raindrops.

[Fotografía]. Recuperado el 1 de octubre del 2021 de Canva.

Fig. 5.- Consy. Molecule Structure School Supply Multiply Line Style Icon.

[Ilustración]. Recuperado el 2 de octubre de 2021 en Canva.

Fig.6.- OpenClipart-Vecctors de pixabay. Vector Image of a Goat. [Ilustración].

Recuperado el 2 de octubre de 2021 en canva.

Todas las arañas y telarañas decorativas son parte de una colección de ilustraciones hechas por Aurielaki en Canva