Estructura secundaria de las proteínas

La estructura secundaria de las proteínas es la conformación espacial local del esqueleto polipeptídico , excluyendo las cadenas laterales. ^{[ 1 ]} Los dos elementos estructurales secundarios más comunes son las hélices alfa y las láminas beta , aunque también se presentan giros beta y bucles omega . Los elementos de estructura secundaria suelen formarse espontáneamente como un intermedio antes de que la proteína se pliegue en su estructura terciaria tridimensional .

La estructura secundaria se define formalmente por el patrón de enlaces de hidrógeno entre los átomos de hidrógeno del grupo amino y los átomos de oxígeno del grupo carboxilo en la cadena principal del péptido . Alternativamente, la estructura secundaria puede definirse en función del patrón regular de los ángulos diedros de la cadena principal en una región específica del diagrama de Ramachandran, independientemente de si presenta los enlaces de hidrógeno correctos.

El concepto de estructura secundaria fue introducido por Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang en Stanford en 1952. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Otros tipos de biopolímeros, como los ácidos nucleicos, también poseen estructuras secundarias características .

Las estructuras secundarias más comunes son las hélices alfa y las láminas beta . Se calcula que otras hélices, como la hélice 3 ₁₀ y la hélice π , tienen patrones de enlaces de hidrógeno energéticamente favorables, pero rara vez se observan en proteínas naturales, excepto en los extremos de las hélices α debido al empaquetamiento desfavorable del esqueleto en el centro de la hélice. Otras estructuras extendidas, como la hélice de poliprolina y la lámina alfa, son raras en las proteínas en estado nativo , pero a menudo se postula que son importantes intermediarios del plegamiento de proteínas . Los giros cerrados y los bucles sueltos y flexibles conectan los elementos de estructura secundaria más "regulares". La bobina aleatoria no es una verdadera estructura secundaria, sino la clase de conformaciones que indican la ausencia de una estructura secundaria regular.

Los aminoácidos varían en su capacidad para formar los diversos elementos de estructura secundaria. La conformación helicoidal en las proteínas es preferida por la metionina , alanina , leucina , glutamato y lisina ("MALEK" en códigos de aminoácidos de 1 letra), así como por la arginina (R) y la glutamina (Q); ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} por el contrario, los residuos aromáticos grandes ( triptófano , tirosina y fenilalanina ) y los aminoácidos ramificados C ^{β (} isoleucina , valina y treonina ) prefieren adoptar conformaciones de hebra β . ^{[ 6 ] [ 8 ]} Los giros y las curvaturas son preferidos por la glicina (G), asparagina (N), prolina (P), aspartato (D) y serina (S), mientras que los dos últimos aminoácidos, cisteína (C) e histidina (H), no muestran preferencia. ^{[ 6 ] [ 8 ]} Además de esto, la prolina y la glicina a veces se conocen como "rompedores de hélice" porque alteran la regularidad de la conformación del esqueleto helicoidal α; ^{[ 9 ] [ 10 ]} Sin embargo, estas preferencias no son lo suficientemente fuertes como para producir un método confiable de predicción de la estructura secundaria a partir de la secuencia sola.

Se cree que las vibraciones colectivas de baja frecuencia son sensibles a la rigidez local dentro de las proteínas, lo que revela que las estructuras beta son, en general, más rígidas que las proteínas alfa o desordenadas. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Las mediciones de dispersión de neutrones han conectado directamente la característica espectral a ~1 THz con los movimientos colectivos de la estructura secundaria de la proteína GFP de barril beta. ^{[ 13 ]}

Los patrones de enlaces de hidrógeno en las estructuras secundarias pueden estar significativamente distorsionados, lo que dificulta la determinación automática de la estructura secundaria. Existen varios métodos para definir formalmente la estructura secundaria de las proteínas (por ejemplo, DSSP , ^{[ 14 ]} DEFINE, ^{[ 15 ]} STRIDE , ^{[ 16 ]} ScrewFit, ^{[ 17 ]} SST ^{[ 18 ]} ).

Clasificación DSSP

El Diccionario de Estructura Secundaria de Proteínas, o DSSP por sus siglas en inglés, se utiliza comúnmente para describir la estructura secundaria de las proteínas mediante códigos de una sola letra. La estructura secundaria se asigna en función de los patrones de enlaces de hidrógeno propuestos inicialmente por Pauling et al. en 1951 (antes de que se hubiera determinado experimentalmente la estructura de ninguna proteína ). El DSSP define ocho tipos de estructura secundaria:

• G = hélice de 3 vueltas ( hélice 3 ₁₀ ). Longitud mínima 3 residuos.
• H = hélice de 4 vueltas ( hélice α ). Longitud mínima de 4 residuos.
• I = hélice de 5 vueltas ( hélice π ). Longitud mínima de 5 residuos.
• T = vuelta con enlace de hidrógeno (3, 4 o 5 vueltas)
• E = hebra extendida en conformación de lámina β paralela y/o antiparalela . Longitud mínima: 2 residuos.
• B = residuo en puente β aislado (formación de enlace de hidrógeno de lámina β de par único)
• S = curvatura (la única asignación que no se basa en enlaces de hidrógeno).
• C = bobina (residuos que no se encuentran en ninguna de las conformaciones anteriores).

La conformación de espiral se suele codificar como '  ' (espacio), C (espiral) o '–' (guion). Las hélices (G, H e I) y las conformaciones de lámina deben tener una longitud razonable. Esto significa que dos residuos adyacentes en la estructura primaria deben formar el mismo patrón de enlaces de hidrógeno. Si el patrón de enlaces de hidrógeno de la hélice o la lámina es demasiado corto, se designan como T o B, respectivamente. Existen otras categorías de asignación de estructura secundaria de proteínas (giros pronunciados, bucles Omega , etc.), pero se utilizan con menos frecuencia.

La estructura secundaria se define por enlaces de hidrógeno , por lo que la definición exacta de un enlace de hidrógeno es fundamental. La definición estándar de enlace de hidrógeno para la estructura secundaria es la de DSSP , que es un modelo puramente electrostático. Asigna cargas de ± q ₁  ≈  0,42 e al carbono carbonílico y al oxígeno, respectivamente, y cargas de ± q ₂  ≈  0,20 e al hidrógeno amida y al nitrógeno, respectivamente. La energía electrostática es

${\displaystyle E=q_{1}q_{2}\left({\frac {1}{r_{\mathrm {ON} }}}+{\frac {1}{r_{\mathrm {CH} }}}-{\frac {1}{r_{\mathrm {OH} }}}-{\frac {1}{r_{\mathrm {CN} }}}\right)\cdot 332{\text{ kcal/mol}}.}$

Según la DSSP, existe un enlace de hidrógeno si y solo si E es menor que −0,5 kcal/mol (−2,1 kJ/mol) . Si bien la fórmula de la DSSP es una aproximación relativamente burda de la energía física del enlace de hidrógeno, se acepta generalmente como una herramienta para definir la estructura secundaria.  

El contenido aproximado de estructura secundaria de un biopolímero (por ejemplo, "esta proteína es 40 % α-hélice y 20 % β-lámina ") puede estimarse espectroscópicamente . ^{[ 21 ]} Para las proteínas, un método común es el dicroísmo circular en el ultravioleta lejano (UV lejano, 170-250  nm) . Un doble mínimo pronunciado a 208 y 222 nm indica una estructura α-helicoidal, mientras que un mínimo único a 204 nm o 217 nm refleja una estructura de ovillo aleatorio o β-lámina, respectivamente. Un método menos común es la espectroscopia infrarroja , que detecta diferencias en las oscilaciones de los enlaces de los grupos amida debido a los enlaces de hidrógeno. Finalmente, el contenido de estructura secundaria puede estimarse con precisión utilizando los desplazamientos químicos de un espectro de RMN inicialmente no asignado . ^{[ 22 ]}   

Predecir la estructura terciaria de una proteína a partir únicamente de su secuencia de aminoácidos es un problema muy complejo (véase predicción de la estructura de proteínas ), pero utilizar definiciones de estructura secundaria más sencillas resulta más manejable.

Los primeros métodos de predicción de la estructura secundaria se limitaban a predecir los tres estados predominantes: hélice, lámina o ovillo aleatorio. Estos métodos se basaban en la propensión de los aminoácidos individuales a formar hélices o láminas, a veces combinada con reglas para estimar la energía libre de formación de los elementos de la estructura secundaria. Las primeras técnicas ampliamente utilizadas para predecir la estructura secundaria de las proteínas a partir de la secuencia de aminoácidos fueron el método de Chou-Fasman ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} y el método GOR . ^{[ 26 ]} Aunque estos métodos afirmaban alcanzar una precisión de aproximadamente el 60% en la predicción de cuál de los tres estados (hélice/lámina/ovillo) adopta un residuo, evaluaciones computacionales ciegas posteriores demostraron que la precisión real era mucho menor. ^{[ 27 ]}

Se logró un aumento significativo en la precisión (a casi ~80%) mediante el uso de alineamiento de secuencias múltiples ; conocer la distribución completa de aminoácidos que se encuentran en una posición (y en su proximidad, típicamente ~7 residuos a cada lado) a lo largo de la evolución proporciona una imagen mucho mejor de las tendencias estructurales cerca de esa posición. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Por ejemplo, una proteína dada podría tener una glicina en una posición determinada, lo que por sí solo podría sugerir una conformación aleatoria en ese lugar. Sin embargo, el alineamiento de secuencias múltiples podría revelar que los aminoácidos que favorecen la hélice se encuentran en esa posición (y posiciones cercanas) en el 95% de las proteínas homólogas que abarcan casi mil millones de años de evolución. Además, al examinar la hidrofobicidad promedio en esa posición y posiciones cercanas, el mismo alineamiento también podría sugerir un patrón de accesibilidad al solvente de los residuos consistente con una α-hélice. ^{[ 30 ]} En conjunto, estos factores sugerirían que la glicina de la proteína original adopta una estructura α-helicoidal, en lugar de una conformación aleatoria. Se utilizan diversos métodos para combinar todos los datos disponibles y generar una predicción de tres estados, como redes neuronales , modelos ocultos de Markov y máquinas de vectores de soporte . Los métodos de predicción modernos también proporcionan un índice de confianza para sus predicciones en cada posición.

Los métodos de predicción de estructura secundaria se evaluaron mediante los experimentos de Evaluación Crítica de la Predicción de Estructura de Proteínas (CASP) y se compararon continuamente, por ejemplo, mediante EVA (benchmark) . Según estas pruebas, los métodos más precisos fueron Psipred , SAM, ^{[ 31 ]} PORTER, ^{[ 32 ]} PROF, ^{[ 33 ]} y SABLE. ^{[ 34 ]} El área principal de mejora parece ser la predicción de hebras β; los residuos predichos con confianza como hebra β probablemente lo sean, pero los métodos tienden a pasar por alto algunos segmentos de hebra β (falsos negativos). Es probable que exista un límite superior de ~90% de precisión de predicción general, debido a las idiosincrasias del método estándar ( DSSP ) para asignar clases de estructura secundaria (hélice/hebra/bobina) a las estructuras PDB, contra las cuales se comparan las predicciones. ^{[ 35 ]}

La predicción precisa de la estructura secundaria es un elemento clave en la predicción de la estructura terciaria , salvo en los casos más sencillos ( modelado por homología ). Por ejemplo, un patrón predicho con confianza de seis elementos de estructura secundaria βαββαβ es la firma de un plegamiento de ferredoxina . ^{[ 36 ]}

Las estructuras secundarias tanto de proteínas como de ácidos nucleicos pueden utilizarse para facilitar el alineamiento de secuencias múltiples . Estos alineamientos pueden ser más precisos al incluir información sobre la estructura secundaria, además de la información de la secuencia simple. Esto a veces resulta menos útil en el ARN, ya que el apareamiento de bases está mucho más conservado que la secuencia. En ocasiones, se pueden encontrar relaciones distantes entre proteínas cuyas estructuras primarias no se pueden alinear mediante la estructura secundaria. ^{[ 28 ]}

Se ha demostrado que las hélices α son más estables, resistentes a las mutaciones y diseñables que las hebras β en las proteínas naturales, ^{[ 37 ]} por lo que diseñar proteínas funcionales totalmente α probablemente sea más fácil que diseñar proteínas con hélices y hebras; esto se ha confirmado experimentalmente recientemente. ^{[ 38 ]}

• NetSurfP – Predictor de estructura secundaria y accesibilidad de la superficie
• PROFE
• Ajuste de tornillo
• PSSpred: Un programa de entrenamiento de redes neuronales múltiples para la predicción de la estructura secundaria de proteínas.
• Metaservidor Genesilico Metaservidor que permite ejecutar más de 20 predictores de estructura secundaria diferentes con un solo clic.
• Servidor web SST : Una asignación estructural secundaria basada en la teoría de la información (basada en la compresión).