La resilina es una proteína elastomérica que se encuentra en muchos insectos y otros artrópodos. Proporciona elasticidad suave como el caucho a órganos y tejidos mecánicamente activos; por ejemplo, permite a los insectos de muchas especies saltar o girar sus alas de manera eficiente. La resilina fue descubierta por primera vez por Torkel Weis-Fogh en las bisagras de las alas de langosta.
La resilina es actualmente la proteína elástica conocida más eficiente. Se ha informado que la eficiencia elástica de la resilina aislada del tendón de la langosta es del 97% (solo el 3% de la energía almacenada se pierde en forma de calor). No tiene ninguna estructura regular, pero sus cadenas enrolladas aleatoriamente están reticuladas por enlaces de di- y tri- tirosina en el espaciamiento adecuado para conferirle la elasticidad necesaria para impulsar algunos insectos saltadores a distancias de hasta 38 veces su longitud (como las pulgas). La resilina debe durar toda la vida de los insectos adultos y, por lo tanto, debe funcionar durante cientos de millones de extensiones y contracciones; su eficiencia elástica garantiza el rendimiento durante la vida del insecto.Russell E. Lyons, Darren C.C. Wong, Misook Kim, Nicolas Lekieffre, Mickey G. Huson, Tony Vuocolo, David J. Merritt, Kate M. Nairn, Daniel M. Dudek, Michelle L. Colgrave, Christopher M. Elvin, Molecular and functional characterisation of resilin across three insect orders, Insect Biochemistry and Molecular Biology, Volume 41, Issue 11, 2011, pp. 881-890, ISSN 0965-1748, https://doi.org/10.1016/j.ibmb.2011.08.002. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0965174811001603) La resilina exhibe un comportamiento elastomérico inusual solo cuando se hincha en solventes polares como el agua.
En 2005, se sintetizó una forma recombinante de la proteína resilina de la mosca Drosophila melanogaster expresando una parte del gen de la mosca en la bacteria Escherichia coli.Elvin CM, Carr AG, Huson MG, Maxwell JM, Pearson RD, Vuocolo T, Liyou NE, Wong DC, Merritt DJ, Dixon NE. Synthesis and properties of crosslinked recombinant pro-resilin. Nature. 2005 Oct 13;437(7061):999-1002. doi: 10.1038/nature04085. PMID: 16222249. Se están realizando estudios activos para investigar la posible aplicación de resilinas recombinantes en la ingeniería biomédica y la medicina.Balu, R., Dutta, N.K., Dutta, A.K. et al. Resilin-mimetics as a smart biomaterial platform for biomedical applications. Nat Commun 12, 149 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-020-20375-x
Frecuencia miniaturadeimagen| Golpe de los maxilípedos del cangrejo de río Pacifastacus leniusculus capturado a una velocidad de fotogramas de 1000 Hz Después de su descubrimiento en los tendones elásticos de las libélulas y en las bisagras de las alas de las langostas, la resilina se ha encontrado en muchas estructuras y órganos de los artrópodos. Se encuentra a menudo como un compuesto con quitina en la cutícula de los insectos, donde la quitina actúa como componente estructural. La resilina proporciona elasticidad y posiblemente otras propiedades. Se ha descubierto en la bomba salival de los redúvidos (Rhodnius prolixus ), las moscas tsé-tsé y las abejas melíferas, y en el mecanismo que proporciona resistencia a la bomba dispensadora de veneno de los aguijones de las abejas melíferas. También se ha encontrado resilina en los órganos de producción de sonido de los artrópodos, como las cigarras y la familia de polillas Pyralidae, donde tanto la alta elasticidad como la gran resiliencia de la resilina juegan un papel importante debido a los rápidos ciclos de liberación de estrés de los timbales productores de sonido. Además de estas estructuras, la resilina existe más ampliamente en los sistemas de locomoción de los artrópodos. Se descubrió en las bisagras de las alas para permitir la recuperación de la deformación de los elementos del ala y para amortiguar las fuerzas aerodinámicas sentidas por el ala; en los sistemas ambulatorios de cucarachas y moscas para facilitar la deformación rápida de las articulaciones; en los mecanismos de salto, la resilina almacena energía cinética con gran eficiencia y la libera al descargarse. También es abundante en la cutícula que rodea el abdomen de las termitas, hormigas y abejas, que se expande y se hincha en gran medida durante el proceso de alimentación y reproducción.
Composición
Aminoácidos derecha|miniaturadeimagen| Composición de aminoácidos de la resilina La composición de aminoácidos en la resilina fue analizada en 1961 por Bailey y Torkel Weis-Fogh cuando observaron muestras de ligamentos de las bisagras del brazo prealar y del ala de langostas. El resultado indica que la resilina carece de los componentes metionina, hidroxiprolina y cisteína en su composición de aminoácidos.
Secuencia de proteína Se identificó que la resilina es un producto del gen CG15920 de Drosophila melanogaster debido a las similitudes entre las composiciones de aminoácidos de la resilina y el producto del gen. El gen de Drosophila melanogaster está compuesto por 4 exones, que codifican 4 segmentos funcionales en CG15920: péptido señal y 3 péptidos codificados por los exones 1, 2 y 3. El péptido señal guía la proresilina hacia el espacio extracelular, donde las proteínas resilina se agregan y se unen para formar una red, y luego se separa de los péptidos, de modo que la resilina naciente se convierte en resilina madura. Desde el extremo N, el segmento codificado por el exón 1 contiene 18 copias de una secuencia repetida de 15 residuos (GGRPSDSYGAPGGGN); el segmento correspondiente al exón 2 contiene 62 aminoácidos de la secuencia de consenso Rebers-Riddiford (RR) de unión a quitina (Pfam PF00379 ); el péptido codificado del exón 3 está dominado por 11 copias de una secuencia repetida de 13 residuos (GYSGGRPGGQDLG). Mientras que la glicina y la prolina enriquecidas en los exones 1 y 3 introducen estructuras cíclicas en la proteína, los residuos de tirosina pueden formar enlaces cruzados de di- y tri -tirosina entre las proteínas.Guokui Qin, Amit Rivkin, Shaul Lapidot, Xiao Hu, Itan Preis, Shira B. Arinus, Or Dgany, Oded Shoseyov, David L. Kaplan, Recombinant exon-encoded resilins for elastomeric biomaterials, Biomaterials, Volume 32, Issue 35, 2011, Pages 9231-9243, ISSN 0142-9612, https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2011.06.010. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961211006752)
Estructura secundaria miniaturadeimagen|491x491px| El mecanismo de acción de la resilina La resilina es una proteína desordenada, sin embargo, sus segmentos pueden adoptar estructuras secundarias en diferentes condiciones. Se descubrió que la secuencia peptídica codificada por el exón 1 presenta una forma no estructurada y no puede cristalizarse, lo que permite que el segmento de la secuencia peptídica sea muy suave y altamente flexible. El péptido codificado por el exón 3 adquiere una forma no estructurada antes de la carga, pero se transforma en una estructura de giro beta ordenada una vez que se aplica estrés. Mientras tanto, el segmento codificado por el exón 2 sirve como dominio de unión a la quitina. Se considera que cuando se aplica estrés o hay un aporte de energía, el péptido codificado por el exón 1 responde inmediatamente debido a su alta flexibilidad. Una vez que esto ocurre, la energía pasa al péptido codificado en el exón 3, que se transforma de la forma no estructurada a la estructura de giro beta para almacenar energía. Una vez que se elimina el estrés o la energía, el segmento codificado del exón 3 revierte la transformación estructural y envía la energía al segmento codificado del exón 1.
Otra estructura secundaria que pueden adoptar los péptidos correspondientes al exón 1 y al exón 3 es la hélice de poliprolina (PPII), indicada por la alta presencia de prolina y glicina en estos dos segmentos. La estructura PPII existe ampliamente en proteínas elastoméricas, como la abductina, la elastina y la titina. Se cree que contribuye al proceso de autoensamblaje y a la elasticidad de la proteína. Se propone que el mecanismo elástico de la resilina esté relacionado con la entropía. En estado relajado, el péptido está plegado y posee una gran entropía, pero una vez que se estira, la entropía disminuye a medida que el péptido se despliega. La coexistencia de PPII y el giro beta desempeñan un papel importante en el aumento de la entropía a medida que la resilina vuelve a su forma desordenada. La otra función del PPII es facilitar el proceso de autoensamblaje: se ha descubierto que el PPII cuasi-extendido es capaz de interactuar a través de una reacción intermolecular e iniciar la formación de una estructura supramolecular fibrilar.
Estructura jerárquica Mientras que las estructuras secundarias están determinadas por el estado energético y los enlaces de hidrógeno formados entre los aminoácidos, las estructuras jerárquicas lo son por la hidrofobicidad del péptido. El péptido codificado por el exón 1 es principalmente hidrófilo y se extiende más cuando se sumerge en agua. Por el contrario, el péptido codificado por el exón 3 contiene bloques hidrofóbicos e hidrofílicos, lo que sugiere la formación de micelas, donde el bloque hidrofóbico se agrupará en el interior con la porción hidrofílica rodeándolo. De esta manera, una única proteína resilina completa, cuando se sumerge en agua, adquiere una estructura en la que el segmento codificado por el exón 1 se extiende desde las formas del péptido codificado por el exón 3 de la micela.
Una vez que la resilina se transfiere al exterior de la célula, sus péptidos codificados en el exón 2, los segmentos de unión a la quitina, se unen a la quitina. Mientras tanto, la reticulación de di- o tri-tirosina se forma por acoplamiento oxidativo, mediado por la peroxidasa, entre residuos de tirosina. Al igual que otras proteínas elastoméricas, el grado de reticulación en la resilina es bajo, lo que garantiza una baja rigidez y una alta resiliencia. Los péptidos reticulados codificados por el exón 1 tienen una resiliencia superior al 93%, mientras que el codificado por el exón 3 tiene una resiliencia del 86%. Además, la resilina natural tiene una resiliencia del 92%, similar a la del exón 1, lo que sugiere nuevamente que el exón 1 puede desempeñar un papel más importante en la propiedad elástica de la resilina.
Residuos de tirosina en la resilina Neville Andersen descubrió en 1996 que los residuos de tirosina están involucrados en enlaces cruzados químicamente covalentes en muchas formas, como ditirosina, tritirosina y tetratirosina. Principalmente, en la resilina, la tirosina y la ditirosina sirven como enlaces químicos cruzados, en los que los grupos R de tirosina y ditirosina se suman a la estructura principal de la cadena peptídica en crecimiento. Andersen llegó a esta conclusión basándose en un estudio que involucraba estos dos compuestos en el que pudo descartar otras formas de reticulación, como puentes disulfuro, grupos éster y enlaces amida. Aunque se entiende que el mecanismo de reticulación de la tirosina ocurre a través de la iniciación radical, la reticulación de la resilina sigue siendo un misterio. La reticulación de la resilina se produce muy rápidamente y esto posiblemente sea resultado de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, la tasa de reticulación de los residuos aumenta y conduce a una red de resilina altamente reticulada.