stringtranslate.com

Estructura cuaternaria de las proteínas

Protein primary structureProtein secondary structureProtein tertiary structureProtein quaternary structure
La imagen de arriba contiene enlaces en los que se puede hacer clic.
La imagen de arriba contiene enlaces en los que se puede hacer clic.
Este diagrama (que es interactivo) de la estructura de las proteínas utiliza PCNA como ejemplo. ( PDB : 1AXC )

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 .

Descripción y ejemplos

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 .

Nomenclatura

La estructura cuaternaria de este complejo proteico se describiría como un homotrímero porque está compuesta de tres subunidades proteicas idénticas más pequeñas (también designadas como monómeros o protómeros).

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.

* No se conocen ejemplos

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 "dímero de dímeros". Los hexámeros de simetría de grupo puntual 32 son "trímero de dímeros" o "dímero 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.

Determinación de la estructura

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 suelen proporcionar 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.

Técnicas comunes utilizadas para estudiar la estructura cuaternaria de las proteínas

Medición directa de masa de complejos intactos

Medición directa del tamaño de complejos intactos

Medición indirecta del tamaño de complejos intactos

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 .

Predicción de estructura

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], que se basa en el modelo AlphaFold para predecir la estructura terciaria de las proteínas.

Papel en la señalización celular

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]

Interacciones proteína-proteína

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]

Complementación intragénica

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]

Asamblea

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 interactuantes. La formación de dímeros parece poder ocurrir independientemente de las máquinas de ensamblaje dedicadas.

Véase también

Notas

  1. ^ Aquí cuaternario significa " estructura de cuarto nivel ", no " interacción de cuatro vías ". Etimológicamente, cuaternario es correcto: cuaternario se deriva del latín números distributivos y sigue a binario y ternario ; mientras que cuaternario se deriva del latín números ordinales y sigue a secundario y terciario . Sin embargo, cuaternario es estándar en biología.

Referencias

  1. ^ Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2002). "Sección 3.5 Estructura cuaternaria: las cadenas polipeptídicas pueden ensamblarse en estructuras de múltiples subunidades". Biochemistry (5.ª ed., 4.ª ed. impresa). Nueva York, NY [ua]: WH Freeman. ISBN 0-7167-3051-0.
  2. ^ ab Chou KC, Cai YD (noviembre de 2003). "Predicción de la estructura cuaternaria de proteínas mediante la composición de pseudoaminoácidos". Proteins . 53 (2): 282–289. doi :10.1002/prot.10500. PMID  14517979. S2CID  23979933.
  3. ^ Stiving AQ, VanAernum ZL, Busch F, Harvey SR, Sarni SH, Wysocki VH (enero de 2019). "Disociación inducida por la superficie: un método eficaz para la caracterización de la estructura cuaternaria de las proteínas". revisión. Química analítica . 91 (1): 190–209. doi :10.1021/acs.analchem.8b05071. PMC 6571034 . PMID  30412666. 
  4. ^ ab Milligan G, Bouvier M (junio de 2005). "Métodos para monitorear la estructura cuaternaria de los receptores acoplados a la proteína G". revisión. The FEBS Journal . 272 ​​(12): 2914–2925. doi :10.1111/j.1742-4658.2005.04731.x. PMID  15955052. S2CID  23274563.
  5. ^ Raicu V, Singh DR (noviembre de 2013). "Espectrometría FRET: una nueva herramienta para la determinación de la estructura cuaternaria de proteínas en células vivas". primary. Biophysical Journal . 105 (9): 1937–1945. Bibcode :2013BpJ...105.1937R. doi :10.1016/j.bpj.2013.09.015. PMC 3824708 . PMID  24209838. 
  6. ^ Prischi F, Pastore A (2016). "Aplicación de la resonancia magnética nuclear y métodos híbridos para la determinación de la estructura de sistemas complejos". Tecnologías avanzadas para la producción y caracterización de complejos proteicos . revisión. Avances en medicina y biología experimental. Vol. 896. págs. 351–368. doi :10.1007/978-3-319-27216-0_22. ISBN 978-3-319-27214-6. Número de identificación personal  27165336.
  7. ^ Wells JN, Marsh JA (2018). "Caracterización experimental de la estructura, dinámica y ensamblaje de complejos proteicos". Ensamblaje de complejos proteicos . revisión. Métodos en biología molecular. Vol. 1764. págs. 3–27. doi :10.1007/978-1-4939-7759-8_1. ISBN 978-1-4939-7758-1PMID  29605905. Sección 4: Espectroscopia de resonancia magnética nuclear
  8. ^ Zhang SW, Chen W, Yang F, Pan Q (octubre de 2008). "Uso de la composición de pseudoaminoácidos de Chou para predecir la estructura cuaternaria de proteínas: un enfoque de PseAAC segmentado por secuencia". Aminoácidos . 35 (3): 591–598. doi :10.1007/s00726-008-0086-x. PMID  18427713. S2CID  689955.
  9. ^ Xiao X, Wang P, Chou KC (2009). "Predicción de los atributos estructurales cuaternarios de las proteínas mediante la hibridación de la composición del dominio funcional y la composición de pseudoaminoácidos". Journal of Applied Crystallography . 42 : 169–173. doi :10.1107/S0021889809002751.
  10. ^ Evans R, O'Neill M, Pritzel A, Antropova N, Senior AW, Green T, et al. (4 de octubre de 2021). "Predicción de complejos proteicos con AlphaFold-Multimer". bioRxiv : 2021.10.04.463034. doi :10.1101/2021.10.04.463034. S2CID  238413014.
  11. ^ Heldin CH (enero de 1995). "Dimerización de receptores de superficie celular en la transducción de señales". Cell . 80 (2): 213–223. doi : 10.1016/0092-8674(95)90404-2 . PMID  7834741. S2CID  18925209.
  12. ^ Ardejani MS, Chok XL, Foo CJ, Orner BP (mayo de 2013). "Cambio completo de la oligomerización de ferritina hacia el ensamblaje de nanojaulas mediante interacciones proteína-proteína diseñadas". Chemical Communications . 49 (34): 3528–3530. doi :10.1039/C3CC40886H. PMID  23511498.
  13. ^ Crick FH, Orgel LE (enero de 1964). "La teoría de la complementación interalélica". Journal of Molecular Biology . 8 : 161–165. doi :10.1016/s0022-2836(64)80156-x. PMID  14149958.
  14. ^ Bernstein H, Edgar RS, Denhardt GH (junio de 1965). "Complementación intragénica entre mutantes sensibles a la temperatura del bacteriófago T4D". Genética . 51 (6): 987–1002. doi :10.1093/genetics/51.6.987. PMC 1210828 . PMID  14337770. 
  15. ^ Smallwood S, Cevik B, Moyer SA (diciembre de 2002). "Complementación intragénica y oligomerización de la subunidad L de la ARN polimerasa del virus Sendai". Virología . 304 (2): 235–245. doi : 10.1006/viro.2002.1720 . PMID  12504565.
  16. ^ Rodríguez-Pombo P, Pérez-Cerdá C, Pérez B, Desviat LR, Sánchez-Pulido L, Ugarte M (junio de 2005). "Hacia un modelo para explicar la complementación intragénica en la proteína heteromultimérica propionil-CoA carboxilasa". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Base molecular de la enfermedad . 1740 (3): 489–498. doi : 10.1016/j.bbadis.2004.10.009 . PMID  15949719.
  17. ^ Jehle H (septiembre de 1963). "Fuerzas intermoleculares y especificidad biológica". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 50 (3): 516–524. Bibcode :1963PNAS...50..516J. doi : 10.1073/pnas.50.3.516 . PMC 221211 . PMID  16578546. 
  18. ^ ab Bertolini M, Fenzl K, Kats I, Wruck F, Tippmann F, Schmitt J, et al. (enero de 2021). "Las interacciones entre proteínas nacientes traducidas por ribosomas adyacentes impulsan el ensamblaje de homómeros". primaria. Science . 371 (6524): 57–64. Bibcode :2021Sci...371...57B. doi :10.1126/science.abc7151. PMC 7613021 . PMID  33384371. S2CID  229935047. 

Enlaces externos