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La estructura cuaternaria de las proteínas [a] es el cuarto (y más alto) nivel de clasificación de la estructura de las proteínas . La estructura cuaternaria de las proteínas se refiere a la estructura de las proteínas que están compuestas por dos o más cadenas proteicas más pequeñas (también denominadas subunidades). La estructura cuaternaria de las proteínas describe el número y la disposición de múltiples subunidades proteicas plegadas en un complejo de múltiples subunidades . Incluye organizaciones desde dímeros simples hasta grandes homooligómeros y complejos con números definidos o variables de subunidades. [1] A diferencia de los primeros tres niveles de estructura de las proteínas, no todas las proteínas tendrán una estructura cuaternaria ya que algunas proteínas funcionan como unidades individuales. La estructura cuaternaria de las proteínas también puede referirse a complejos biomoleculares de proteínas con ácidos nucleicos y otros cofactores .
Muchas proteínas son en realidad conjuntos de múltiples cadenas polipeptídicas . La estructura cuaternaria se refiere a la cantidad y disposición de las subunidades proteicas entre sí. [2] Algunos ejemplos de proteínas con estructura cuaternaria son la hemoglobina , la ADN polimerasa , los ribosomas , los anticuerpos y los canales iónicos .
Las enzimas compuestas por subunidades con diversas funciones se denominan a veces holoenzimas , en las que algunas partes pueden conocerse como subunidades reguladoras y el núcleo funcional se conoce como subunidad catalítica. Otros conjuntos denominados complejos multiproteicos también poseen estructura cuaternaria. Algunos ejemplos son los nucleosomas y los microtúbulos . Los cambios en la estructura cuaternaria pueden ocurrir a través de cambios conformacionales dentro de subunidades individuales o a través de la reorientación de las subunidades entre sí. Es a través de tales cambios, que subyacen a la cooperatividad y la alosteria en las enzimas "multiméricas", que muchas proteínas experimentan regulación y realizan su función fisiológica.
La definición anterior sigue un enfoque clásico de la bioquímica, establecido en épocas en las que era difícil dilucidar la distinción entre una proteína y una unidad proteínica funcional. Más recientemente, se hace referencia a la interacción proteína-proteína cuando se habla de la estructura cuaternaria de las proteínas y se consideran todos los conjuntos de proteínas como complejos proteicos .
El número de subunidades en un complejo oligomérico se describe utilizando nombres que terminan en -mer (del griego "parte, subunidad"). Los nombres formales y grecolatinos se utilizan generalmente para los primeros diez tipos y pueden utilizarse para hasta veinte subunidades, mientras que los complejos de orden superior suelen describirse por el número de subunidades, seguido de -meric.
La unidad más pequeña que forma un homooligómero, es decir, una cadena o subunidad proteica , se denomina monómero, subunidad o protómero . El último término se ideó originalmente para especificar la unidad más pequeña de las proteínas heterooligoméricas, pero también se aplica a las proteínas homooligoméricas en la literatura actual. Las subunidades suelen organizarse en simetría cíclica para formar simetrías de grupos puntuales cerrados .
Aunque rara vez se observan complejos superiores a los octámeros en la mayoría de las proteínas, existen algunas excepciones importantes. Las cápsides virales suelen estar compuestas por múltiplos de 60 proteínas. También se encuentran varias máquinas moleculares en la célula, como el proteasoma (cuatro anillos heptaméricos = 28 subunidades), el complejo de transcripción y el espliceosoma . El ribosoma es probablemente la máquina molecular más grande y está compuesto por muchas moléculas de ARN y proteínas.
En algunos casos, las proteínas forman complejos que luego se ensamblan en complejos aún más grandes. En tales casos, se utiliza la nomenclatura, por ejemplo, "dímero de dímeros" o "trímero de dímeros". Esto puede sugerir que el complejo podría disociarse en subcomplejos más pequeños antes de disociarse en monómeros. Esto generalmente implica que el complejo consta de diferentes interfaces de oligomerización. Por ejemplo, una proteína tetramérica puede tener un eje de rotación cuádruple, es decir, simetría de grupo puntual 4 o C 4 . En este caso, las cuatro interfaces entre las subunidades son idénticas. También puede tener simetría de grupo puntual 222 o D 2 . Este tetrámero tiene diferentes interfaces y el tetrámero puede disociarse en dos homodímeros idénticos. Los tetrámeros de simetría 222 son "dímeros de dímeros". Los hexámeros de simetría de grupo puntual 32 son "trímeros de dímeros" o "dímeros de trímeros". Así, la nomenclatura "dímero de dímeros" se utiliza para especificar la simetría o disposición del grupo puntual del oligómero, independientemente de la información relacionada con sus propiedades de disociación.
Otra distinción que se hace a menudo cuando se hace referencia a los oligómeros es si son homoméricos o heteroméricos, es decir, si las subunidades proteicas más pequeñas que se unen para formar el complejo proteico son iguales (homoméricos) o diferentes (heteroméricos) entre sí. Por ejemplo, dos monómeros proteicos idénticos se unirían para formar un homodímero, mientras que dos monómeros proteicos diferentes crearían un heterodímero.
La estructura cuaternaria de las proteínas se puede determinar mediante diversas técnicas experimentales que requieren una muestra de proteína en diversas condiciones experimentales. Los experimentos a menudo proporcionan una estimación de la masa de la proteína nativa y, junto con el conocimiento de las masas y/o la estequiometría de las subunidades, permiten predecir la estructura cuaternaria con una precisión determinada. No siempre es posible obtener una determinación precisa de la composición de las subunidades por diversas razones.
El número de subunidades en un complejo proteico se puede determinar a menudo midiendo el volumen molecular hidrodinámico o la masa del complejo intacto, lo que requiere condiciones de solución nativas. En el caso de las proteínas plegadas , la masa se puede inferir a partir de su volumen utilizando el volumen específico parcial de 0,73 ml/g. Sin embargo, las mediciones de volumen son menos seguras que las mediciones de masa, ya que las proteínas desplegadas parecen tener un volumen mucho mayor que las proteínas plegadas; se requieren experimentos adicionales para determinar si una proteína está desplegada o ha formado un oligómero.
Los métodos que miden la masa o el volumen en condiciones de desdoblamiento (como la espectrometría de masas MALDI-TOF y la electroforesis en gel de poliacrilamida con SDS ) generalmente no son útiles, ya que las condiciones no nativas generalmente hacen que el complejo se disocie en monómeros. Sin embargo, a veces pueden ser aplicables; por ejemplo, el experimentador puede aplicar la electroforesis en gel de poliacrilamida con SDS después de tratar primero el complejo intacto con reactivos químicos de reticulación .
Se han desarrollado algunos métodos bioinformáticos para predecir los atributos estructurales cuaternarios de las proteínas basándose en la información de su secuencia utilizando varios modos de composición de pseudoaminoácidos . [2] [8] [9]
Los programas de predicción del plegamiento de proteínas que se utilizan para predecir la estructura terciaria de las proteínas también se han ampliado para predecir mejor la estructura cuaternaria de las proteínas. Uno de estos desarrollos es AlphaFold-Multimer [10], basado en el modelo AlphaFold para predecir la estructura terciaria de las proteínas.
La estructura cuaternaria de las proteínas también desempeña un papel importante en ciertas vías de señalización celular. La vía del receptor acoplado a la proteína G implica una proteína heterotrimérica conocida como proteína G. Las proteínas G contienen tres subunidades distintas conocidas como subunidades G-alfa, G-beta y G-gamma. Cuando la proteína G se activa, se une a la proteína del receptor acoplado a la proteína G y se inicia la vía de señalización celular. Otro ejemplo es la vía de la tirosina quinasa del receptor (RTK), que se inicia mediante la dimerización de dos monómeros de la tirosina quinasa del receptor. Cuando se forma el dímero, las dos quinasas pueden fosforilarse entre sí e iniciar una vía de señalización celular. [11]
Las proteínas son capaces de formar complejos muy compactos pero también transitorios. Por ejemplo, el inhibidor de la ribonucleasa se une a la ribonucleasa A con una constante de disociación de aproximadamente 20 fM . Otras proteínas han evolucionado para unirse específicamente a fracciones inusuales en otra proteína, por ejemplo, grupos de biotina (avidina), tirosinas fosforiladas ( dominios SH2 ) o segmentos ricos en prolina ( dominios SH3 ). Las interacciones proteína-proteína se pueden diseñar para favorecer ciertos estados de oligomerización. [12]
Cuando varias copias de un polipéptido codificado por un gen forman un complejo cuaternario, esta estructura proteica se denomina multímero. [13] Cuando un multímero se forma a partir de polipéptidos producidos por dos alelos mutantes diferentes de un gen particular, el multímero mixto puede exhibir una mayor actividad funcional que los multímeros no mezclados formados por cada uno de los mutantes solos. En tal caso, el fenómeno se denomina complementación intragénica (también llamada complementación interalélica). La complementación intragénica parece ser común y se ha estudiado en muchos genes diferentes en una variedad de organismos, incluidos los hongos Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae y Schizosaccharomyces pombe ; la bacteria Salmonella typhimurium ; el virus bacteriófago T4 , [14] un virus de ARN, [15] y los humanos. [16] Jehle analizó las fuerzas intermoleculares probablemente responsables del autorreconocimiento y la formación de multímeros. [17]
La interacción directa de dos proteínas nacientes que emergen de ribosomas cercanos parece ser un mecanismo general para la formación de oligómeros. [18] Se identificaron cientos de oligómeros de proteínas que se ensamblan en células humanas mediante dicha interacción. [18] La forma de interacción más frecuente fue entre las regiones N-terminales de las proteínas que interactuaban. La formación de dímeros parece poder ocurrir independientemente de las máquinas de ensamblaje dedicadas.
Sección 4: Espectroscopia de resonancia magnéticanuclear