Bobina enrollada

Una espiral enrollada es un motivo estructural en las proteínas en el que 2–7 ^[1] hélices alfa están enrolladas 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 las espirales enrolladas en las estructuras de las proteínas. ^[3] Muchas proteínas de tipo espiral están implicadas 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 existieran espirales enrolladas para la α- queratina fue algo controvertida al principio. Linus Pauling y Francis Crick llegaron a la conclusión de que era posible por separado casi al mismo tiempo. En el verano de 1952, Pauling visitó el laboratorio en Inglaterra donde trabajaba Crick. Pauling y Crick se conocieron y hablaron sobre diversos temas; en un momento dado, Crick preguntó si Pauling había considerado las "espirales enrolladas" (el término fue inventado por Crick), a lo que Pauling respondió que sí. Al regresar a los Estados Unidos, Pauling reanudó la investigación sobre el tema. Llegó a la conclusión de que existían espirales enrolladas y envió un extenso manuscrito a la revista Nature en octubre. El hijo de Pauling, Peter Pauling, trabajaba en el mismo laboratorio que Crick y le mencionó el informe. Crick creía que Pauling había robado su idea y envió una nota más breve a Nature unos días después de que llegara el manuscrito de Pauling. Finalmente, después de cierta controversia y de una correspondencia frecuente, el laboratorio de Crick declaró que la idea había sido idea de forma independiente por ambos investigadores y que no se había producido ningún robo intelectual. ^[4] En su nota (que se publicó primero debido a su menor extensión), Crick propuso la espiral en espiral y también métodos matemáticos para determinar su estructura. ^{[5] Sorprendentemente, esto fue poco después de que} Linus Pauling y sus colaboradores sugirieran la estructura de la hélice alfa en 1951. ^[6] Estos estudios se publicaron en ausencia de conocimiento de una secuencia de queratina. Las primeras secuencias de queratina fueron determinadas por Hanukoglu y Fuchs en 1982. ^{[7] [8]}

Basándose en análisis de predicción de secuencia y estructura secundaria se identificaron los dominios en espiral de las queratinas. ^[8] Estos modelos se han confirmado mediante análisis estructurales de los dominios en espiral de las queratinas. ^[9]

Las bobinas enrolladas suelen contener un patrón repetido, hxxhcxc , de residuos de aminoácidos hidrófobos ( h ) y cargados ( c ) , denominado repetición de heptada . ^[10] Las posiciones en la repetición de heptada suelen estar etiquetadas como abcdefg , donde a y d son las posiciones hidrófobas, que a menudo están ocupadas por isoleucina , leucina o valina . Al plegar una secuencia con este patrón repetitivo en una estructura secundaria alfa-helicoidal, los residuos hidrófobos se presentan como una "franja" que se enrolla suavemente alrededor de la hélice de manera levógira, formando una estructura anfipática . La forma más favorable para que dos de estas hélices se dispongan en el entorno lleno de agua del citoplasma es envolver las hebras hidrófobas una contra la otra intercaladas entre los aminoácidos hidrófilos . Por lo tanto, es el enterramiento de las superficies hidrófobas lo que proporciona la fuerza impulsora termodinámica para la oligomerización. El empaquetamiento en una interfaz de espiral enrollada es excepcionalmente ajustado, con un contacto de van der Waals casi completo entre las cadenas laterales de los residuos a y d . Este empaquetamiento ajustado fue predicho originalmente por Francis Crick en 1952 ^[5] y se lo conoce como empaquetamiento de perillas dentro de agujeros .

Las hélices α pueden ser paralelas o antiparalelas y, por lo general, adoptan una superenrollación levógira (Figura 1). Aunque no se suele utilizar con frecuencia, también se han observado algunas superenrollaciones dextrógiras en la naturaleza y en proteínas diseñadas. [ ^11]

Como los dominios superenrollados son comunes entre una cantidad significativa de proteínas en una amplia variedad de familias de proteínas, ayudan a las proteínas a cumplir varias funciones en la célula. Su función principal es facilitar la interacción proteína-proteína y mantener las proteínas o dominios entrelazados. Esta función corresponde a varias subfunciones, entre ellas la fusión de membranas, el espaciamiento molecular, las etiquetas de oligomerización, el movimiento de vesículas, las proteínas de ayuda al movimiento, la estructura celular y más. ^[12]

Un dominio de espiral desempeña un papel en la infección por VIH. La entrada viral en las células CD4-positivas comienza cuando tres subunidades de una glicoproteína 120 ( gp120 ) se unen al receptor CD4 y 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 para que se fusionen. El origen del mecanismo de resorte se encuentra dentro de la gp41 expuesta , que contiene dos repeticiones de heptada consecutivas (HR1 y HR2) después del péptido de fusión en el extremo N de la proteína. HR1 forma una espiral trimérica paralela sobre la que se enrolla la región HR2, formando la estructura de trímero de horquillas (o haz de seis hélices), facilitando así la fusión de membranas al acercar las membranas entre sí. ^[14] Luego, el virus ingresa a 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]

Las proteínas SNAP-25 , sinaptobrevina y sintaxina-1 tienen hélices alfa que interactúan entre sí para formar un complejo SNARE en espiral . La unión de los dominios proporciona la energía necesaria para que se produzca la fusión de vesículas. ^[17]

El motivo de bobina enrollada también puede actuar como un espaciador entre dos objetos dentro de una célula. Las longitudes de estos dominios de bobina enrollada del espaciador molecular están altamente conservadas. El propósito de estos espaciadores moleculares puede ser separar dominios proteicos, evitando así que interactúen, o separar vesículas dentro de la célula para mediar el transporte de vesículas. Un ejemplo de este primer propósito es Omp-α encontrado en T. maritima . ^[18] Otras proteínas mantienen separadas las vesículas, como p115, giantina y GM130 que interactúan entre sí a través de motivos de bobina enrollada y actúan como una atadura entre el Golgi y una vesícula cercana. ^[19] La familia de proteínas relacionadas con esta actividad de unir vesículas al Golgi se conocen como golgins. ^[20] Finalmente, hay varias proteínas con dominios de bobina enrollada involucradas en el cinetocoro , que mantiene separados los cromosomas durante la división celular . Estas proteínas incluyen Ndc-80 y Nuf2p . Las proteínas relacionadas interactúan con los microtúbulos durante la división celular, cuya mutación conduce a la muerte celular. ^[21]

Debido a su interacción específica, las bobinas enrolladas se pueden utilizar como "etiquetas" para estabilizar o imponer un estado de oligomerización específico. ^[22] Se ha observado que una interacción de bobina enrollada impulsa la oligomerización de las subunidades BBS2 y BBS7 del BBSome . ^{[23] [24]} Debido a que las bobinas enrolladas generalmente interactúan con otras bobinas enrolladas, se encuentran en proteínas que se requieren para formar dímeros o tetrámeros con más copias de sí mismas. ^[25] Debido a su capacidad para impulsar la oligomerización de proteínas , también se han estudiado en su uso para formar nanoestructuras sintéticas. ^[26]

El problema general de decidir sobre la estructura plegada de una proteína cuando se da la secuencia de aminoácidos (el llamado problema de plegamiento de proteínas ) solo se ha resuelto parcialmente. Sin embargo, la bobina enrollada es uno de los relativamente pocos motivos de plegamiento para los cuales las relaciones entre la secuencia y la estructura plegada final se entienden comparativamente bien. ^{[28] [29]} Harbury et al. realizaron un estudio de referencia utilizando una bobina enrollada arquetípica, GCN4, en el que se establecieron las reglas que gobiernan la forma en que la secuencia de péptidos afecta el estado oligomérico (es decir, el número de hélices alfa en el ensamblaje final). ^{[30] [31]} La bobina enrollada GCN4 es una bobina enrollada paralela de 31 aminoácidos (que equivale a poco más de cuatro heptadas ), dimérica (es decir, que consta de dos hélices alfa ) y tiene una isoleucina repetida (o I, en código de una sola letra ) y leucina (L) en las posiciones a y d , respectivamente, y forma una bobina 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 espiral trimérica (tres hélices alfa ). Además, cambiar las posiciones de L a a e I a d resultó en la formación de una espiral tetramérica (cuatro hélices alfa ). Estas representan un conjunto de reglas para la determinación de los estados oligoméricos de la espiral y permiten a los científicos "ajustar" eficazmente el comportamiento de oligomerización. Otro aspecto del ensamblaje de la espiral que se entiende relativamente bien, al menos en el caso de las espirales diméricas, es que la colocación de un residuo polar (en particular asparagina , N) en posiciones a opuestas fuerza el ensamblaje paralelo de la espiral. Este efecto se debe a un enlace de hidrógeno autocomplementario entre estos residuos, que no se cumpliría si una N se emparejara con, por ejemplo, una L en la hélice opuesta. ^[32]

Recientemente, Peacock, Pikramenou y sus colaboradores demostraron que las bobinas enrolladas pueden autoensamblarse utilizando iones de lantánido (III) como plantilla, produciendo así nuevos agentes de formación de imágenes. ^[33]

Los motivos de bobinas enrolladas se han utilizado como posibles bloques de construcción para nanoestructuras , en parte debido a su diseño simple y su amplia gama de funciones basadas principalmente en facilitar la interacción proteína-proteína. Las pautas simples para la síntesis de novo de nuevas proteínas que contienen dominios de bobinas enrolladas han llevado a la formulación de hipótesis sobre muchas aplicaciones, incluida la administración de fármacos, la regeneración de tejidos, el origami de proteínas y mucho más. ^[34] En lo que respecta a la administración de fármacos, los dominios de bobinas enrolladas ayudarían a superar algunos de los riesgos de los fármacos quimioterapéuticos, al evitar que se filtren al tejido sano mientras se transportan a su objetivo. Los dominios de bobinas enrolladas se pueden hacer para que se unan a proteínas específicas o marcadores de la superficie celular, lo que permite una orientación más precisa en la administración de fármacos. ^[35] 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 mediante el entrelazado de motivos de bobinas enrolladas. ^[34] Al utilizar la función de oligomerización de proteínas a través de dominios de hélice enrollada, la visualización de antígenos se puede amplificar en las vacunas, aumentando su eficacia. ^[36]

La oligomerización de motivos de coiled-coil permite la creación de origamis proteicos y bloques de construcción proteicos. Se han estudiado las interacciones metal-ligando, los enlaces covalentes y las interacciones iónicas para manipular posibles interacciones de coiled-coil en este campo de estudio. ^[34] Se pueden crear varias nanoestructuras diferentes combinando motivos de coiled-coil de manera que sean bloques de construcción autoensamblables. Sin embargo, siguen existiendo varias dificultades con la estabilidad. ^[37] El uso de péptidos con motivos de coiled-coil para el andamiaje ha facilitado la creación de estructuras 3D para el cultivo celular. Se pueden crear hidrogeles 3D con estos péptidos y luego las células se pueden cargar en la matriz. ^[38] Esto tiene aplicaciones en el estudio de tejidos, ingeniería de tejidos y más. ^[34]

• Dominios en espiral de queratinas

• Spiricoil predice el estado de Coiled Coil y Oligomeric a partir de secuencias de proteínas en archive.today (archivado el 23 de diciembre de 2012)
• NCOILS en archive.today (archivado el 11 de enero de 2002)
• Bobina de par2 / Bobina de par
• bCIPA estima los valores de Tm para pares de bobinas en espiral
• Pantalla de biblioteca bCIPA Examina una biblioteca de secuencias contra un único objetivo definido y estima los valores de Tm para todos los pares de bobinas enrolladas.
• bCIPA Interactome Screen Examina todas las interacciones entre una selección de secuencias definidas y estima los valores de Tm para todos los pares de espirales.
• STRAP contiene un algoritmo para predecir bobinas enrolladas a partir de secuencias AA.
• PrOCoil predice la oligomerización de las proteínas enrolladas y visualiza la contribución de cada aminoácido individual a la tendencia oligomérica general.
• DrawCoil crea diagramas de ruedas helicoidales para bobinas enrolladas de cualquier estado de oligomerización y orientación.

• Spiricoil utiliza la anotación del dominio de proteínas para predecir la presencia de espirales enrolladas y el estado oligomérico para todos los organismos completamente secuenciados
• CC+ Archivado el 8 de noviembre de 2011 en Wayback Machine es una base de datos relacional de bobinas enrolladas que se encuentran en el PDB
• Anotación del dominio de proteína SUPERFAMILIA para todos los organismos completamente secuenciados basados ​​en la clase de espiral enrollada SCOP seleccionada por expertos