El plegamiento de proteínas es un proceso físico mediante el cual un polipéptido se pliega en su estructura tridimensional característica en la que es funcional.
Cada proteína comienza como un polipéptido, transcodificado de una secuencia de ARNm a una cadena lineal de aminoácidos . Este polipéptido no tiene en este momento una estructura tridimensional desarrollada (ver el lado izquierdo de la figura). Sin embargo, se puede considerar que cada aminoácido de la cadena tiene ciertas características químicas esenciales. Puede ser hidrofobicidad , hidrofilia o carga eléctrica , por ejemplo. Interactúan entre sí y estas interacciones conducen, en la célula, a una estructura tridimensional bien definida, la proteína plegada (a la derecha en la figura), conocida como estado nativo . La estructura tridimensional resultante está determinada por la secuencia de aminoácidos. El mecanismo del plegamiento de proteínas aún no se comprende completamente, especialmente el orden en el que se pliegan las diferentes partes. El problema es difícil porque, por ejemplo, algunas partes ya dobladas ayudan a doblar otras partes, haciendo que el problema no sea lineal.
La determinación experimental de la estructura tridimensional de una proteína es a menudo muy difícil y cara. Sin embargo, se conoce la secuencia de esta proteína, en particular a partir de la secuenciación completa de genomas y la detección automática de secuencias codificantes. Como resultado, los científicos han intentado utilizar varias técnicas biofísicas para replegar "manualmente" una proteína, es decir, predecir la estructura de una proteína completa a partir de su secuencia. Si este método ha arrojado resultados interesantes con proteínas cortas, el estado actual de la ciencia no logra predecir la estructura tridimensional de las proteínas integrales de membrana . Otras proteínas escapan a este análisis, por ejemplo proteínas que tienen muchos puentes disulfuro o proteínas sintetizadas en forma de pre-proteína, es decir en forma de proteína precursora escindida por proteasas específicas para adquirir su madurez. Este es el caso, por ejemplo, de la insulina.
La estructura tridimensional correcta, o nativa, es esencial para que la proteína realice su función dentro de la célula . El fracaso del replegamiento a la forma esperada produce proteínas inactivas con diferentes propiedades (p. Ej., Prión ). Se cree que muchas enfermedades neurodegenerativas y de otro tipo son el resultado de una acumulación de proteínas "mal plegadas".
Christian Boehmer Anfinsen demuestra en 1961 el plegamiento de la ribonucleasa y postula que la conformación final depende esencialmente de la sucesión de los aminoácidos que constituyen la proteína. En 1972 recibió el Premio Nobel de Química . Las proteínas chaperonas , necesarias para cierto plegamiento, fueron descubiertas a finales de la década de 1980 por Franz-Ulrich Hartl y Arthur Horwich . Los dos científicos recibieron el premio Albert-Lasker de investigación médica básica en 2011 por su trabajo sobre el tema.
Sin embargo, este dogma se basa en la idea de que el plegado depende únicamente de las limitaciones termodinámicas. Posteriormente, basándose en el modelo alostérico desarrollado por Monod-Wyman y Changeux, Jeannine Yon y Michel Goldberg , en un trabajo realizado en paralelo, introdujeron gradualmente en Francia la idea de una restricción cinética que también juega un papel en estos pliegues.
La secuencia de aminoácidos (o estructura primaria ) de una proteína la predispone a adoptar su conformación nativa (o una de sus conformaciones nativas). Se plegará espontáneamente durante o después de su síntesis . Si bien se puede pensar que estas macromoléculas se "pliegan por sí mismas", el mecanismo también depende de las características del citosol , como la naturaleza del disolvente primario ( agua o lípido ), la concentración de sal , la temperatura y las proteínas acompañantes .
La mayoría de las proteínas plegadas tienen un núcleo hidrófobo en el que todas las cadenas laterales hidrófobas estabilizan el estado plegado y cadenas laterales polares o cargadas en su superficie expuestas al disolvente a través del cual interactúan con las moléculas de agua circundantes. Generalmente se acepta que minimizar el número de cadenas laterales hidrófobas expuestas al agua es la principal fuerza impulsora detrás del proceso de plegado, aunque una teoría propuesta recientemente enfatiza las contribuciones hechas por los enlaces de hidrógeno .
El proceso de plegamiento in vivo a veces comienza durante la traducción , es decir, el extremo N de la proteína comienza a plegarse mientras el ribosoma todavía sintetiza el extremo C de la proteína . Las proteínas especializadas llamadas chaperonas ayudan con el plegamiento de otras proteínas. El sistema bacteriano GroEL , que ayuda en el plegamiento de proteínas globulares , es un ejemplo bien estudiado. En los organismos eucariotas , las proteínas chaperonas se conocen como proteínas de choque térmico . Aunque la mayoría de las proteínas globulares pueden alcanzar su estado nativo sin ayuda, a veces es necesario el replegamiento asistido por proteínas chaperonas en un entorno intracelular abarrotado para evitar la agregación ; Las proteínas chaperonas también se utilizan para prevenir el plegamiento incorrecto y la agregación que pueden ocurrir como resultado de la exposición al calor u otros cambios en el entorno celular.
Muchos científicos han podido estudiar varias moléculas idénticas que se pliegan juntas de manera masiva. En el nivel más básico, parece que durante la transición al estado nativo, una secuencia de aminoácidos determinada toma aproximadamente el mismo camino y utiliza aproximadamente los mismos estados intermedios y de transición . El plegado a veces implica la creación de estructuras secundarias y supersecundarias regulares, especialmente hélices alfa y hojas beta , y luego estructura terciaria . La formación de la estructura cuaternaria implica el "ensamblaje" o "co-ensamblaje" de subunidades que ya se han plegado. Las estructuras de láminas beta y de hélice alfa regulares se pliegan rápidamente porque están estabilizadas por enlaces de hidrógeno , como lo estableció por primera vez Linus Pauling . El plegamiento de proteínas puede implicar enlaces covalentes en forma de enlaces disulfuro formados entre dos residuos de cisteína o la formación de grupos de metales. Poco antes de ocupar su conformación nativa energéticamente favorable , las moléculas pueden pasar a través de un estado intermedio de glóbulo fundido .
El quid del replegamiento, sin embargo, sigue siendo que la secuencia de aminoácidos de cada proteína contiene la información que especifica tanto la estructura nativa como la ruta para acceder a ella. Esto no significa que dos secuencias de aminoácidos idénticas se plieguen de forma idéntica. Las conformaciones difieren dependiendo de factores ambientales, por ejemplo; proteínas similares se pliegan de manera diferente dependiendo de dónde se encuentren. El plegado es un proceso espontáneo independiente del aporte de energía de los nucleósidos trifosfatos . La transición al estado plegado está guiada principalmente por interacciones hidrófobas, formación de enlaces de hidrógeno intramoleculares y fuerzas de Van der Waals , y se ve frustrada por la entropía conformacional , que puede superarse mediante factores extrínsecos como las proteínas chaperonas.
En determinadas soluciones y en determinadas condiciones, las proteínas no pueden plegarse en sus formas bioquímicas funcionales. Las temperaturas por encima (ya veces por debajo) del rango en el que viven las células harán que las proteínas se desplieguen o desnaturalicen (esta es una de las razones por las que la clara de huevo se vuelve turbia después de hervir). Altas concentraciones de solutos , valores extremos de pH , fuerzas mecánicas aplicadas o la presencia de desnaturalizantes químicos pueden conducir al mismo resultado. Una proteína completamente desnaturalizada no tiene estructura terciaria ni secundaria, y existe como una bola aleatoria . En determinadas condiciones, algunas proteínas pueden volver a plegarse; sin embargo, en muchos casos la desnaturalización es irreversible. Las células a veces protegen sus proteínas de la influencia del calor con enzimas conocidas como chaperonas o proteínas de choque térmico , que ayudan a otras proteínas a plegarse y permanecer plegadas. Algunas proteínas nunca se pliegan en las células sin la ayuda de las proteínas chaperonas, que son capaces de aislar proteínas entre sí, por lo que su plegamiento no se interrumpe por interacciones con otras proteínas. También pueden ayudar a desplegar proteínas mal plegadas, dándoles otra oportunidad de plegarse correctamente. Esta función es crucial para prevenir el riesgo de precipitación en agregados amorfos insolubles .
Las proteínas mal plegadas son responsables de enfermedades relacionadas con priones como la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob , la encefalopatía espongiforme bovina (o enfermedad de las vacas locas), enfermedades similares a la amiloidosis como la enfermedad de Alzheimer y muchas otras formas de proteopatía como la fibrosis quística . Estas enfermedades están asociadas con la multimerización de proteínas desplegadas en agregados extracelulares o inclusiones intracelulares insolubles; no se establece si las placas son una causa o un síntoma de la enfermedad.
La duración total del proceso de replegamiento varía drásticamente dependiendo de la proteína que se esté considerando. Los replegamientos más lentos tardan de varios minutos a varias horas en ocurrir, principalmente debido a isomerizaciones de prolina o formación deficiente de enlaces disulfuro, y la mayoría pasa por estados intermedios, como puntos de control, antes de que se complete el proceso. Por otro lado, proteínas de dominio único muy pequeñas con longitudes de hasta cien aminoácidos se pliegan en un solo paso. Las escalas de tiempo de unos pocos milisegundos son la norma, y las reacciones de plegamiento de proteínas más rápidas que se conocen ocurren en microsegundos. La paradoja de Levinthal establece que si una proteína se pliega al muestrear todas las conformaciones, tomaría una cantidad astronómica de tiempo hacerlo, incluso si las conformaciones se muestrearan a alta velocidad (en la escala de nanosegundos o picosegundos). Basándose en la observación de que las proteínas se pliegan mucho más rápido que eso, Cyrus Levinthal propuso que no se produce una búsqueda conformacional aleatoria durante el plegado y que la proteína debería, en cambio, plegarse siguiendo un patrón.
El estudio del plegamiento de proteínas ha mejorado enormemente en los últimos años gracias al desarrollo de técnicas con una potente resolución temporal. Estos son métodos experimentales para activar rápidamente el plegamiento de una proteína y luego observar la dinámica resultante. Las técnicas rápidas y de amplia base incluyen la mezcla ultrarrápida de soluciones, métodos fotoquímicos y espectroscopia de salto de temperatura con láser . Entre los muchos científicos que han contribuido al desarrollo de estas técnicas se encuentran Heinrich Roder , Harry Gray , Martin Gruebele , Brian Dyer , William Eaton, Sheena Radford, Chris Dobson, Alan Fersht y Bengt Nölting .
El fenómeno del plegamiento de proteínas fue principalmente un esfuerzo experimental hasta la formulación de la teoría del paisaje energético por Joseph Bryngelson y Peter Wolynes a finales de los 80 y principios de los 90. Este enfoque introduce el principio de menos frustración que especifica que la evolución ha seleccionado las secuencias de aminoácidos. en proteínas naturales de modo que las interacciones entre las cadenas laterales favorezcan la adquisición por parte de la molécula de su estado plegado. Las interacciones que no promueven este aliasing se identifican como tales y se "deseleccionan", aunque se espera una "frustración" residual. Una de las consecuencias de la selección de estas secuencias por evolución es que generalmente se cree que estas proteínas tienen un proceso de plegamiento dentro de un “paisaje orientado a la energía” (para usar la expresión de José Onuchic) que apunta en gran medida al estado nativo. Esta dirección de plegado del paisaje energético permite que la proteína vuelva al estado nativo a través de cualquiera de las vías e intermediarios, en lugar de estar restringida a un solo mecanismo. Esta teoría está respaldada por simulaciones numéricas de proteínas modelo y se ha utilizado para la predicción de estructuras y en el diseño de proteínas .
Las técnicas de novo o ab initio para la predicción numérica de estructuras de proteínas están relacionadas, pero son distintas, con los estudios del plegamiento de proteínas. La dinámica molecular (MD) es una herramienta importante para estudiar el plegamiento y la dinámica de las proteínas in silico . Debido al costo numérico, las simulaciones de plegamiento de dinámica molecular ab initio con agua explícita se limitan a péptidos y proteínas muy pequeñas. Las simulaciones de DM de proteínas más grandes permanecen restringidas a la dinámica de la estructura experimental o su estructura desplegada a alta temperatura. Para simular procesos de plegamiento largos (más allá de aproximadamente un microsegundo), como el plegamiento de proteínas de tamaños pequeños (alrededor de 50 residuos) o mayores, se deben introducir aproximaciones o simplificaciones de los modelos de proteínas. Un enfoque que utiliza representaciones reducidas de proteínas (se definen los pseudoátomos que representan grupos de átomos) y los potenciales estadísticos no solo son útiles en la perspectiva de la predicción de la estructura de las proteínas , sino que también son capaces de reproducirlos.
Debido a las múltiples rutas posibles de replegamiento, puede haber múltiples estructuras posibles. Un péptido compuesto por solo cinco aminoácidos puede plegarse en más de 100 mil millones de estructuras potenciales
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La determinación de la estructura plegada de una proteína es un procedimiento largo y complejo que implica métodos como la difractometría de rayos X o la RMN . Uno de los campos de mayor interés es la predicción de estructuras nativas a partir de secuencias de aminoácidos únicamente utilizando métodos bioinformáticos y de simulación numérica.