La hoja alfa (también conocida como hoja plisada alfa o hoja plisada polar ) es una estructura secundaria atípica en las proteínas , propuesta por primera vez por Linus Pauling y Robert Corey en 1951. [1] [2] [3] El patrón de enlace de hidrógeno en una hoja alfa es similar a la de una hoja beta , pero la orientación de los grupos carbonilo y amino en las unidades de enlace peptídico es distintiva; en una sola hebra, todos los grupos carbonilo están orientados en la misma dirección en un lado del pliegue y todos los grupos amino están orientados en la misma dirección en el lado opuesto de la lámina. Así, la lámina alfa acumula una separación inherente de carga electrostática , con un borde de la lámina exponiendo grupos carbonilo cargados negativamente y el borde opuesto exponiendo grupos amino cargados positivamente. A diferencia de la hélice alfa y la lámina beta , la configuración de la lámina alfa no requiere que todos los residuos de aminoácidos componentes se encuentren dentro de una única región de ángulos diédricos ; en cambio, la hoja alfa contiene residuos de diédricos alternos en las regiones helicoidales tradicionales derechas (α R ) e izquierdas (α L ) del espacio de Ramachandran . Aunque la lámina alfa rara vez se observa en las estructuras proteicas naturales , se ha especulado que desempeña un papel en la enfermedad amiloide [4] y se descubrió que es una forma estable para las proteínas amiloidogénicas en simulaciones de dinámica molecular . [5] [6] También se han observado láminas alfa en estructuras de cristalografía de rayos X de péptidos diseñados. [4]
La formación regular de láminas alfa por proteínas desplegadas implica inevitablemente que muchos residuos de aminoácidos L adopten fácilmente la conformación alfaL, lo que a primera vista parece ir en contra de la química de los libros de texto, que es que, de los 20 aminoácidos, es la glicina la que favorece fuertemente esta conformación. El enigma se resuelve al darse cuenta de que la región alfaL comprende dos áreas superpuestas, aquí llamadas γL y αL, que deben considerarse por separado. Resulta que, mientras que la conformación γL es adoptada, casi exclusivamente, por la glicina , la conformación αL de la hoja alfa es más comúnmente, o casi tan comúnmente, adoptada por cualquiera de los 15 L-aminoácidos en comparación con la glicina, siendo las excepciones prolina , treonina , valina e isoleucina , que son raras en esta conformación. [7] Por lo tanto, de los 20 aminoácidos, 16 adoptan fácilmente la conformación αL.
Cuando Pauling y Corey propusieron por primera vez la lámina alfa, sugirieron que coincidía bien con los resultados de la difracción de fibras de beta-queratina . [2] Sin embargo, dado que la lámina alfa no parecía ser energéticamente favorable, argumentaron que las láminas beta ocurrirían más comúnmente entre las proteínas normales, [3] y la posterior demostración de que la beta-queratina está hecha de láminas beta relegó la propuesta de la lámina alfa. a la oscuridad. Sin embargo, la conformación de la cadena alfa se observa en casos aislados en proteínas en estado nativo , como se resuelve mediante cristalografía de rayos X o RMN de proteínas , aunque no se identifica una hoja alfa extendida en ninguna proteína natural conocida. Las proteínas nativas que contienen regiones de cadena alfa o enlaces de hidrógeno con patrón de hoja alfa incluyen sinaptotagmina , lisozima y canales de potasio , donde las cadenas alfa recubren el poro conductor de iones. [4]
Se han presentado pruebas de la existencia de una hoja alfa en una forma mutante de transtiretina. [8] Se han observado conformaciones de lámina alfa en estructuras cristalinas de péptidos cortos no naturales, especialmente aquellos que contienen una mezcla de aminoácidos L y D. La primera estructura cristalina que contiene una lámina alfa se observó en el tripéptido rematado Boc – Ala L – a - Ile D – Ile L – O Me . [9] Otros péptidos que asumen estructuras de lámina alfa incluyen dipéptidos a base de difenilglicina [ 10] y tripéptidos. [11]
La lámina alfa ha sido propuesta como un posible estado intermedio en el cambio conformacional en la formación de fibrillas de amiloide por péptidos y proteínas como la beta amiloide , repeticiones de poliglutamina , lisozima , proteínas priónicas y repeticiones de transtiretina , todas ellas asociadas con Enfermedad por plegamiento incorrecto de proteínas . Por ejemplo, la beta amiloide es un componente importante de las placas amiloides en el cerebro de los pacientes con enfermedad de Alzheimer , [6] y las repeticiones de poliglutamina en la proteínahuntintina están asociadas con la enfermedad de Huntington . [12] Estas proteínas experimentan un cambio conformacional desde estructuras en espiral o hélice alfa en gran medida aleatorias hasta estructuras de lámina beta altamente ordenadas que se encuentran en las fibrillas de amiloide. La mayoría de las láminas beta de las proteínas conocidas están "torcidas" aproximadamente 15° para lograr un enlace de hidrógeno y un empaquetamiento estérico óptimos ; sin embargo, alguna evidencia de cristalografía electrónica sugiere que al menos algunas fibrillas de amiloide contienen láminas "planas" con sólo 1 a 2,5° de torsión. [13] Se sugiere un intermediario amiloide de hoja alfa para explicar algunas características anómalas del proceso de fibrilación amiloide, como la evidente dependencia de la secuencia de aminoácidos de la amiloidogénesis a pesar de la creencia de que el pliegue amiloide está estabilizado principalmente por la columna vertebral de la proteína . [14] [15]
Xu, [16] utilizando microscopía de fuerza atómica, ha demostrado que la formación de fibras amiloides es un proceso de dos pasos en el que las proteínas primero se agregan en esferas coloidales de aproximadamente 20 nm de diámetro. Luego, las esferas se unen espontáneamente para formar cadenas lineales, que evolucionan hacia fibras amiloides maduras. La formación de estas cadenas lineales parece estar impulsada por el desarrollo de un dipolo electrostático en cada una de las esferas coloidales lo suficientemente fuerte como para superar la repulsión de Coulomb. Esto sugiere un posible mecanismo por el cual la lámina alfa puede promover la agregación de amiloide; El enlace peptídico tiene un dipolo electrostático intrínseco relativamente grande, pero normalmente los dipolos de los enlaces cercanos se cancelan entre sí. En la lámina alfa, a diferencia de otras conformaciones, los enlaces peptídicos están orientados en paralelo de modo que los dipolos de los enlaces individuales pueden sumarse para crear un dipolo electrostático general fuerte.
En particular, la proteína lisozima se encuentra entre las pocas proteínas en estado nativo que se ha demostrado que contienen una región de cadena alfa; La lisozima tanto de pollos como de humanos contiene una cadena alfa ubicada cerca del sitio de una mutación que se sabe causa amiloidosis hereditaria en humanos, generalmente una enfermedad genética autosómica dominante . [4] Las simulaciones de dinámica molecular de la proteína mutante revelan que la región alrededor de la mutación asume una conformación de cadena alfa. [6] La lisozima se encuentra entre las proteínas naturales que se sabe que forman fibras amiloides en condiciones experimentales, y tanto la región de la cadena alfa nativa como el sitio de mutación se encuentran dentro de la región más grande identificada como el núcleo de la fibrilogénesis amiloide de la lisozima. [17] [18]
También se ha sugerido un mecanismo para la interconversión directa de las láminas alfa y beta, basado en el cambio del plano peptídico en el que el dipéptido α R α L se invierte para producir una conformación de ángulo diédrico ββ. Este proceso también se ha observado en simulaciones de transtiretina [19] y se ha implicado que ocurre naturalmente en ciertas familias de proteínas mediante el examen de sus conformaciones de ángulos diédricos en estructuras cristalinas. [20] [21] Se sugiere que la hoja alfa se pliegue en solenoides de múltiples hilos. [22]
La evidencia que emplea péptidos retroenantio N-metilados, o aquellos con aminoácidos L y D alternos, como inhibidores de la agregación de beta-amiloide es consistente con que la hoja alfa sea el material principal del precursor de amiloide. [23] [24] [25] [26] [27]