Estructura cuaternaria de proteínas

Este diagrama (que es interactivo) de la estructura de proteínas utiliza el PCNA como ejemplo. ()PDB: 1AXC)

Estructura cuaternaria de proteínas es el cuarto (y más alto) nivel de clasificación de la estructura de proteínas. La estructura cuaternaria de proteínas se refiere a la estructura de las proteínas que se componen de dos o más cadenas de proteínas más pequeñas (también denominadas subunidades). La estructura cuaternaria de proteínas describe el número y la disposición de múltiples subunidades de proteínas plegadas en un complejo de múltiples subunidades. Incluye organizaciones desde simples dímeros hasta grandes homooligómeros y complejos con números definidos o variables de subunidades. En contraste con los primeros tres niveles de estructura de proteínas, no todas las proteínas tendrán una estructura cuaternaria ya que algunas proteínas funcionan como unidades individuales. La estructura cuaternaria de proteínas también puede referirse a complejos biomoleculares de proteínas con ácidos nucleicos y otros cofactores.

Descripción y ejemplos

Muchas proteínas son en realidad ensamblajes de múltiples cadenas polipeptídicas. La estructura cuaternaria se refiere al número y disposición de las subunidades proteicas entre sí. Los ejemplos de proteínas con estructura cuaternaria incluyen hemoglobina, ADN polimerasa, ribosomas, anticuerpos y canales iónicos.

Las enzimas compuestas de subunidades con diversas funciones a veces se denominan holoenzimas, en las que algunas partes pueden conocerse como subunidades reguladoras y el núcleo funcional se conoce como subunidad catalítica. Otros conjuntos denominados en cambio complejos multiproteicos también poseen estructura cuaternaria. Los ejemplos incluyen nucleosomas y microtúbulos. Los cambios en la estructura cuaternaria pueden ocurrir a través de cambios conformacionales dentro de las subunidades individuales o mediante la reorientación de las subunidades entre sí. Es a través de tales cambios, que subyacen la cooperatividad y el alosterio en "multimeric" enzimas, que muchas proteínas se someten a regulación y realizan su función fisiológica.

La definición anterior sigue un enfoque clásico de la bioquímica, establecido en momentos en que la distinción entre una proteína y una unidad proteica funcional era difícil de dilucidar. Más recientemente, las personas se refieren a la interacción proteína-proteína cuando analizan la estructura cuaternaria de las proteínas y consideran todos los conjuntos de proteínas como complejos de proteínas.

Nomenclatura

La estructura cuaternaria de este complejo de proteínas se describiría como un homotrimer porque se compone de tres subunidades de proteínas idénticas más pequeñas (o monómeros).

El número de subunidades en un complejo oligomérico se describe usando nombres que terminan en -mer (del griego "parte, subunidad"). Los nombres formales y greco-latinados generalmente se usan para los primeros diez tipos y se pueden usar hasta para veinte subunidades, mientras que los complejos de orden superior generalmente se describen por el número de subunidades, seguido de -meric.

*No hay ejemplos conocidos

Aunque rara vez se observan complejos superiores a los octámeros para la mayoría de las proteínas, existen algunas excepciones importantes. Las cápsides virales a menudo se componen de 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 usa la nomenclatura, por ejemplo, "dímero de dímeros" o 'trímero de dímeros', para sugerir que el complejo podría disociarse en subcomplejos más pequeños antes de disociarse en monómeros.

Otra distinción que se suele hacer al referirse a los oligómeros es si son homoméricos o heteroméricos, lo que se refiere a si las subunidades de proteína más pequeñas que se unen para formar el complejo proteico son iguales (homoméricas) o diferentes (heteroméricas) entre sí. Por ejemplo, dos monómeros de proteínas idénticos se unirían para formar un homodímero, mientras que dos monómeros de proteínas diferentes crearían un heterodímero.

Determinación de Estructura

La estructura cuaternaria de la proteína se puede determinar utilizando una variedad de técnicas experimentales que requieren una muestra de proteína en una variedad de 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 cierta precisión. No siempre es posible obtener una determinación precisa de la composición de la subunidad por una variedad de razones.

La cantidad de subunidades en un complejo proteico a menudo se puede determinar midiendo el volumen molecular hidrodinámico o la masa del complejo intacto, lo que requiere condiciones de solución nativas. Para las proteínas plegadas, la masa puede deducirse 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 desdoblada o ha formado un oligómero.

Técnicas comunes utilizadas para estudiar la estructura cuaternaria de proteínas

• Ultracentrifugación
• Espectrometría masiva de disociación inducida por la superficie
• Coimmunoprecipation
• FRET
• Resonancia magnética nuclear (NMR)

Medición de masa directa de complejos intactos

• Sedimentación-equilibrio analítica ultracentrifugación
• Espectrometría de masa electrospray
• Mass Spectrometric Immunoassay MSIA

Medición directa del tamaño de complejos intactos

• Difusión de luz estática
• Cromatografía de exclusión de tamaño (requiere calibración)
• Interferometría de polarización dual

Medición indirecta del tamaño de complejos intactos

• Sedimentación-velocidad analítica ultracentrifugación (medida la constante de difusión traducción)
• Difusión de luz dinámica (medida la constante de difusión traducción)
• Resonancia magnética nuclear con proteína de grado pulsado (medi la constante de difusión de la traducción)
• polarización de fluorescencia (medida la constante de difusión rotacional)
• Relajación eléctrica (medida la constante de difusión rotacional)
• Interferometría de doble polarización (medi el tamaño y la densidad del complejo)

Métodos que miden la masa o el volumen en condiciones de despliegue (como La espectrometría de masas MALDI-TOF y SDS-PAGE) generalmente no son útiles, ya que las condiciones no nativas generalmente hacen que el complejo se disocie en monómeros. Sin embargo, estos a veces pueden ser aplicables; por ejemplo, el experimentador puede aplicar SDS-PAGE después de tratar primero el complejo intacto con reactivos de reticulación química.

Predicción de estructuras

Se han desarrollado algunos métodos bioinformáticos para predecir los atributos estructurales cuaternarios de las proteínas en función de su información de secuencia mediante el uso de varios modos de composición de pseudoaminoácidos.

Los programas de predicción del plegamiento de proteínas utilizados 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 construido sobre el modelo AlphaFold para predecir la estructura terciaria de proteínas.

Papel en la señalización celular

La estructura cuaternaria de la proteína también juega un papel importante en ciertas vías de señalización celular. La vía del receptor acoplado a 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 se activa la proteína G, se une a la proteína receptora acoplada a proteína G y se inicia la vía de señalización celular. Otro ejemplo es la vía del receptor tirosina quinasa (RTK), que se inicia por la dimerización de dos monómeros de tirosina quinasa receptora. Cuando se forma el dímero, las dos quinasas pueden fosforilarse entre sí e iniciar una vía de señalización celular.

Interacciones proteína-proteína

Las proteínas son capaces de formar complejos muy compactos. 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 pueden diseñarse para favorecer ciertos estados de oligomerización.

Complementación intragénica

Cuando varias copias de un polipéptido codificado por un gen forman un complejo cuaternario, esta estructura proteica se denomina multímero. Cuando un multímero se forma a partir de polipéptidos producidos por dos alelos mutantes diferentes de un gen particular, el multímero mixto puede mostrar una mayor actividad funcional que los multímeros sin mezclar formados por cada uno de los mutantes solos. En tal caso, el fenómeno se denomina complementación intragénica (también denominada 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, un virus de ARN y humanos. Jehle analizó las fuerzas intermoleculares probablemente responsables del autorreconocimiento y la formación de multímeros.

Montaje

La interacción directa de dos proteínas nacientes que emergen de los ribosomas cercanos parece ser un mecanismo general para la formación de oligómeros. Se identificaron cientos de oligómeros de proteínas que se ensamblan en células humanas mediante dicha interacción. La forma más frecuente de interacción fue entre las regiones N-terminales de las proteínas que interactúan. La formación de dímeros parece poder ocurrir independientemente de las máquinas de ensamblaje dedicadas.