Bobina enrollada

Una hélice enrollada es un motivo estructural en las proteínas en el que de dos a siete ^{[ 1 ]} hélices alfa se enrollan juntas como las hebras de una cuerda. ( Los dímeros y trímeros son los tipos más comunes). Se han encontrado en aproximadamente el 5-10% de las proteínas y tienen una variedad de funciones. ^{[ 2 ]} Son uno de los motivos más extendidos que se encuentran en las interacciones proteína-proteína. Para ayudar al estudio de las proteínas, se han desarrollado varias herramientas para predecir hélices enrolladas en estructuras proteicas. ^{[ 3 ]} Muchas proteínas de tipo hélice enrollada están involucradas en funciones biológicas importantes, como la regulación de la expresión génica , por ejemplo, los factores de transcripción . Ejemplos notables son las oncoproteínas c-Fos y c-Jun , así como la proteína muscular tropomiosina .

La posibilidad de que la α- queratina presentara estructuras de hélice enrollada fue inicialmente algo controvertida. Linus Pauling y Francis Crick llegaron a la misma conclusión, de forma independiente y casi simultáneamente. En el verano de 1952, Pauling visitó el laboratorio de Crick en Inglaterra . Se reunieron y conversaron sobre diversos temas; en un momento dado, Crick le preguntó si había considerado la posibilidad de que existieran hélices enrolladas (término que él mismo había acuñado), a lo que Pauling respondió afirmativamente. Al regresar a Estados Unidos, Pauling retomó la investigación sobre el tema. Concluyó que las hélices enrolladas existían y presentó un extenso manuscrito a la revista Nature en octubre. Su hijo, Peter Pauling, trabajaba en el mismo laboratorio que Crick y le comentó el informe. Crick creyó que Pauling le había robado la idea y envió una nota más breve a Nature pocos días después de la llegada del manuscrito de Pauling. Finalmente, tras cierta controversia y frecuentes intercambios de correspondencia, el laboratorio de Crick declaró que la idea había sido concebida de forma independiente por ambos investigadores y que no se había producido ningún plagio. ^{[ 4 ]} En su nota (que se publicó primero debido a su menor extensión), Crick propuso la estructura de hélice enrollada , así como métodos matemáticos para determinarla. ^{[ 5 ]} Sorprendentemente, esto ocurrió poco después de que Linus Pauling y sus colaboradores sugirieran la estructura de la hélice alfa en 1951. ^{[ 6 ]} Estos estudios se publicaron sin conocer la secuencia de la queratina. Las primeras secuencias de queratina fueron determinadas por Hanukoglu y Fuchs en 1982. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Basándose en análisis de secuencia y predicción de estructura secundaria, se identificaron los dominios de hélice enrollada de las queratinas. ^{[ 8 ]} Estos modelos han sido confirmados por análisis estructurales de los dominios de hélice enrollada de las queratinas. ^{[ 9 ]}

Las hélices enrolladas suelen contener un patrón repetido, hxxhcxc , de residuos de aminoácidos hidrofóbicos ( h ) y cargados ( c ) , denominado repetición de heptapéptidos . ^{[ 10 ]} Las posiciones en la repetición de heptapéptidos se suelen etiquetar como abcdefg , donde a y d son las posiciones hidrofóbicas, a menudo ocupadas por isoleucina , leucina o valina . El plegamiento de una secuencia con este patrón repetitivo en una estructura secundaria de hélice alfa hace que los residuos hidrofóbicos se presenten como una "banda" que se enrolla suavemente alrededor de la hélice de forma levógira, formando una estructura anfipática . La forma más favorable para que dos de estas hélices se organicen en el entorno acuoso del citoplasma es que las hebras hidrofóbicas se enrollen una contra la otra, intercaladas entre los aminoácidos hidrofílicos . Por lo tanto, es el enterramiento de las superficies hidrofóbicas lo que proporciona la fuerza impulsora termodinámica para la oligomerización. El empaquetamiento en una interfaz de hélice enrollada es excepcionalmente compacto, con un contacto de van der Waals casi completo entre las cadenas laterales de los residuos a y d . Este empaquetamiento compacto fue predicho originalmente por Francis Crick en 1952 ^{[ 5 ]} y se conoce como empaquetamiento de protuberancias en agujeros .

Las hélices α pueden ser paralelas o antiparalelas, y generalmente adoptan una superhélice levógira (Figura 1). Aunque no es lo habitual, también se han observado algunas hélices enrolladas dextrógiras en la naturaleza y en proteínas diseñadas. ^{[ 11 ]}

Dado que los dominios de hélice enrollada son comunes en una cantidad significativa de proteínas de diversas familias, ayudan a las proteínas a desempeñar varias funciones en la célula. Su característica principal es facilitar la interacción proteína-proteína y mantener las proteínas o dominios entrelazados. Esta característica se corresponde con varias subfunciones, como la fusión de membranas, el espaciamiento molecular, las etiquetas de oligomerización, el movimiento de vesículas, la asistencia en el movimiento de proteínas, la estructura celular y más. ^{[ 12 ]}

Fusión de membranas

Un dominio de hélice enrollada desempeña un papel en la infección por el virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 (VIH-1). La entrada viral en las células CD4 positivas comienza cuando tres subunidades de una glicoproteína 120 ( gp120 ) se unen al receptor CD4 y a un correceptor. ^{[ 13 ]} La glicoproteína gp120 está estrechamente asociada con un trímero de gp41 a través de interacciones de van der Waals. Finalmente, la secuencia del péptido de fusión N-terminal de gp41 se ancla en la célula huésped. Un mecanismo de resorte es responsable de acercar las membranas viral y celular lo suficiente como para que se fusionen. El origen de este mecanismo de resorte reside en la gp41 expuesta, que contiene dos repeticiones heptaméricas consecutivas (HR1 y HR2) después del péptido de fusión en el extremo N-terminal de la proteína. HR1 forma una hélice enrollada trimérica paralela sobre la cual se enrolla la región HR2, formando la estructura de trímero de horquillas (o haz de seis hélices), facilitando así la fusión de membranas al acercarlas entre sí. ^{[ 14 ]} El virus luego entra en la célula y comienza su replicación. Recientemente, se han desarrollado inhibidores derivados de HR2 como Fuzeon (DP178, T-20) que se unen a la región HR1 en gp41. ^{[ 15 ]} Sin embargo, los péptidos derivados de HR1 tienen poca eficacia de inhibición viral debido a la propensión de estos péptidos a agregarse en solución. Se han desarrollado quimeras de estos péptidos derivados de HR1 con cremalleras de leucina GCN4 y han demostrado ser más activos que Fuzeon . ^{[ 16 ]} El virus de la inmunodeficiencia humana tipo 2 tiene una glicoproteína de envoltura de membrana con una estructura similar a la gp41 del VIH-1, pero contiene sustituciones de un residuo de aminoácido glicina en el dominio de hélice enrollada que pueden afectar la estabilidad del trímero. ^{[ 17 ]}

Las proteínas SNAP-25 , sinaptobrevina y sintaxina-1 poseen hélices alfa que interactúan entre sí para formar un complejo SNARE de estructura enrollada . El acoplamiento de estos dominios proporciona la energía necesaria para que se produzca la fusión de vesículas. ^{[ 18 ]}

El problema general de decidir la estructura plegada de una proteína dada la secuencia de aminoácidos (el llamado problema del plegamiento de proteínas ) solo se ha resuelto parcialmente. Sin embargo, la hélice enrollada es uno de un número relativamente pequeño de motivos de plegamiento para los cuales las relaciones entre la secuencia y la estructura plegada final se comprenden comparativamente bien. ^{[ 29 ] [ 30 ]} Harbury et al. realizaron un estudio fundamental utilizando una hélice enrollada arquetípica, GCN4, en el que se establecieron reglas que rigen la forma en que la secuencia peptídica afecta el estado oligomérico (es decir, el número de hélices alfa en el ensamblaje final). ^{[ 31 ] [ 32 ]} La hélice enrollada GCN4 es una hélice enrollada paralela dimérica (es decir, compuesta por dos hélices alfa ) de 31 aminoácidos (que equivalen a poco más de cuatro heptadas ) y tiene isoleucina (o I, en código de una letra ) y leucina (L) repetidas en las posiciones a y d , respectivamente, y forma una hélice enrollada dimérica. Cuando los aminoácidos en las posiciones a y d se cambiaron de I en a y L en d a I en a e I en d , se formó una hélice enrollada trimérica (tres hélices alfa). Además, cambiar las posiciones de L a a e I a d resultó en la formación de una hélice enrollada tetramérica (cuatro hélices alfa ). Estas representan un conjunto de reglas para la determinación de los estados oligoméricos de la hélice enrollada y permiten a los científicos "ajustar" eficazmente el comportamiento de oligomerización. Otro aspecto del ensamblaje de la hélice enrollada que se comprende relativamente bien, al menos en el caso de las hélices enrolladas diméricas, es que la colocación de un residuo polar (en particular, asparagina , N) en posiciones opuestas fuerza el ensamblaje paralelo de la hélice enrollada. Este efecto se debe a un enlace de hidrógeno autocomplementario entre estos residuos, que no se satisfaría si una N se emparejara, por ejemplo, con una L en la hélice opuesta. ^{[ 33 ]}

Peacock, Pikramenou y colaboradores demostraron recientemente que las bobinas enrolladas pueden autoensamblarse utilizando iones lantánidos(III) como plantilla, produciendo así nuevos agentes de imagen. ^{[ 34 ]}

Se ha experimentado con motivos de hélice enrollada como posible bloque de construcción para nanoestructuras , en parte debido a su diseño simple y amplia gama de funciones basadas principalmente en facilitar la interacción proteína-proteína. Directrices simples para la síntesis de novo de nuevas proteínas que contienen dominios de hélice enrollada han llevado a que se hipoteticen muchas aplicaciones, incluyendo la administración de fármacos, la regeneración de tejidos, el origami de proteínas y mucho más. ^{[ 35 ]} Con respecto a la administración de fármacos, los dominios de hélice enrollada ayudarían a superar algunos de los riesgos de los fármacos quimioterapéuticos, al evitar que se filtren en el tejido sano durante su transporte a su objetivo. Los dominios de hélice enrollada pueden hacerse para unirse a proteínas específicas o marcadores de la superficie celular, lo que permite una focalización más precisa en la administración de fármacos. ^{[ 36 ]} Otras funciones serían ayudar a almacenar y transportar fármacos dentro del cuerpo que de otro modo se degradarían rápidamente, mediante la creación de nanotubos y otras estructuras a través del entrelazamiento de motivos de hélice enrollada. ^{[ 35 ]} Al utilizar la función de oligomerización de proteínas a través de dominios de hélice enrollada, la presentación de antígenos puede amplificarse en las vacunas, aumentando su eficacia. ^{[ 37 ]}

La oligomerización de motivos de hélice enrollada permite la creación de origami de proteínas y bloques de construcción de proteínas. Se han estudiado las interacciones metal-ligando, los enlaces covalentes y las interacciones iónicas para manipular posibles interacciones de hélice enrollada en este campo de estudio. ^{[ 35 ]} Se pueden crear varias nanoestructuras diferentes combinando motivos de hélice enrollada de manera que sean bloques de construcción autoensamblables. Sin embargo, persisten varias dificultades con la estabilidad. ^{[ 38 ]} El uso de péptidos con motivos de hélice enrollada para andamiaje ha facilitado la creación de estructuras 3D para el cultivo celular. Se pueden crear hidrogeles 3D con estos péptidos, y luego se pueden cargar células en la matriz. ^{[ 39 ]} Esto tiene aplicaciones en el estudio de tejidos, ingeniería de tejidos y más. ^{[ 35 ]}

• Dominios de hélice enrollada de las queratinas