Estructura quinaria de las proteínas

La estructura quinaria de las proteínas se refiere a las características de las superficies proteicas que se forman por la adaptación evolutiva al contexto fisiológico de las células vivas . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} La estructura quinaria es, por lo tanto, el quinto nivel de complejidad proteica, adicional a las estructuras primaria , secundaria , terciaria y cuaternaria de las proteínas . A diferencia de los primeros cuatro niveles de estructura proteica, que son relevantes para las proteínas aisladas en condiciones diluidas, la estructura quinaria emerge del hacinamiento del contexto celular, ^{[ 5 ]} en el que se producen constantemente encuentros transitorios entre macromoléculas .

Para realizar sus funciones, las proteínas a menudo necesitan encontrar una contraparte específica a la que unirse en un encuentro relativamente prolongado. En un citosol muy congestionado, donde las proteínas participan en una vasta y compleja red de interacciones de atracción y repulsión, dicha búsqueda se vuelve desafiante, ya que implica explorar un enorme espacio de posibles parejas, de las cuales muy pocas serán productivas. Una solución a este desafío requiere que las proteínas dediquen el menor tiempo posible a cada encuentro, de modo que puedan explorar un mayor número de superficies, al tiempo que hacen que esta interacción sea lo más íntima posible, para que si encuentran la pareja adecuada, no la pasen por alto. ^{[ 6 ]} En este sentido, la estructura quinaria es el resultado de una serie de adaptaciones presentes en las superficies de las proteínas, que les permiten navegar por la complejidad del entorno celular.

Con el sentido en que se usa hoy, el término estructura quinaria apareció por primera vez en el trabajo de McConkey, en 1989. ^{[ 7 ]} En su trabajo, McConkey realiza electroforesis en gel 2D sobre el contenido proteico total de células de hámster ( CHO ) y humanas ( HeLa ). En un experimento de electroforesis en gel 2D, las coordenadas de una proteína dependen de su peso molecular y su punto isoeléctrico . Dada la distancia evolutiva entre humanos y hámsteres, y considerando las tasas evolutivas típicas de los mamíferos, se esperaría que hubiera ocurrido un gran número de sustituciones entre hámsteres y humanos, una fracción de las cuales involucraría residuos ácidos ( aspartato y glutamato ) y básicos ( arginina y lisina ), lo que resultaría en cambios en el punto isoeléctrico de muchas proteínas. Sorprendentemente, las células de hámster y humanas produjeron huellas dactilares casi idénticas en el experimento, lo que implica que en realidad ocurrieron muchas menos de esas sustituciones. McConkey sugirió en ese artículo ^{[ 7 ]} que la razón por la cual las proteínas de los humanos y los hámsteres no habían divergido tanto como él anticipó era que una presión selectiva adicional debía estar relacionada con las muchas "interacciones no específicas que son inherentemente transitorias" experimentadas por las proteínas en el citoplasma y que "constituyen el quinto nivel de organización de las proteínas ".

A pesar de la rudimentaria metodología del experimento de McConkey, su interpretación de los resultados ha demostrado ser precisa. En lugar de ser simplemente hidrofílicas , las superficies proteicas deben haber sido cuidadosamente moduladas por la evolución y adaptadas a esta red de interacciones débiles, a menudo denominadas interacciones quinarias . Es importante señalar que las interacciones proteína-proteína responsables de la aparición de la estructura quinaria son fundamentalmente diferentes de los encuentros proteicos específicos. Estos últimos son el resultado de una unión de estabilidad relativamente alta, a menudo vinculada a eventos funcionalmente significativos —muchos de los cuales ya han sido descritos ^{[ 8 ]} —, mientras que los primeros suelen interpretarse como ruido de fondo de interacciones erróneas fisiológicamente improductivas que complican la interpretación de las redes proteicas y deben evitarse para que las funciones celulares normales puedan desarrollarse. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

La naturaleza transitoria de estos encuentros proteicos complica el estudio de la estructura quinaria. De hecho, las interacciones responsables de este nivel superior de organización proteica son débiles y efímeras, por lo que no producirían complejos proteína-proteína que pudieran aislarse mediante métodos bioquímicos convencionales. Por consiguiente, la estructura quinaria solo puede comprenderse in vivo . ^{[ 12 ]}

La RMN intracelular es una técnica experimental destacada en el campo de la investigación de la estructura quinaria de las proteínas. El principio físico de las mediciones de RMN intracelular es idéntico al de la RMN de proteínas convencional , pero los experimentos requieren la expresión de altas concentraciones de la proteína sonda, la cual debe permanecer soluble y confinada en el espacio celular; lo que introduce dificultades y limitaciones adicionales. Sin embargo, estos experimentos proporcionan información crucial sobre la interacción entre una proteína sonda y el entorno intracelular.

Los primeros intentos de utilizar la RMN intracelular para estudiar la estructura quinaria de las proteínas se vieron obstaculizados por una limitación causada por el propio fenómeno que intentaban comprender. Muchas proteínas sonda probadas en estos experimentos resultaron producir señales amplias, cercanas al límite de detección del método, cuando se midieron dentro de células de Escherichia coli . En particular, estas proteínas parecían girar como si tuvieran pesos moleculares mucho mayores que los correspondientes a su tamaño. Estas observaciones parecían indicar que las proteínas se adherían a otras macromoléculas, lo que habría dado lugar a propiedades de relajación deficientes ^{[ 13 ].}

Otros experimentos de RMN intracelular mostraron que cambios de un solo aminoácido en residuos de superficie podían utilizarse para modular de forma consistente el movimiento de tres proteínas diferentes dentro de las células bacterianas. ^{[ 14 ]} Se demostró que los residuos cargados e hidrofóbicos tenían el mayor impacto en la movilidad intracelular de las proteínas. En particular, las proteínas con carga más negativa se volteaban más rápido en comparación con las proteínas con carga casi nula o positiva. Por el contrario, la presencia de muchos residuos hidrofóbicos en la superficie de la proteína ralentizaba su movimiento intracelular. Se demostró que el momento dipolar de la proteína , una medida de la separación de carga a través de la proteína, contribuía significativamente a la movilidad de la proteína, donde los momentos dipolares altos se correlacionaban con un movimiento más lento. Esta interpretación es más directa para las proteínas consideradas en o cerca de su punto isoeléctrico ; se debe tener cuidado con otros valores de pH, ya que una vez que la proteína tiene una carga neta, el momento dipolar deja de ser único y depende del sistema de coordenadas utilizado para definir la estructura. ^{[ 15 ]}