El plegamiento de proteínas es el proceso mediante el cual una cadena polipeptídica lineal adopta su estructura tridimensional nativa. Si bien la secuencia de aminoácidos contiene toda la información necesaria para el plegamiento, como demostraron los experimentos clásicos de Anfinsen con la ribonucleasa, muchas proteínas requieren chaperonas moleculares para plegarse eficientemente en el entorno celular abarrotado.
El Problema del Plegamiento
El número de conformaciones posibles para una cadena polipeptídica es astronómicamente grande. Una proteína de 100 aminoácidos podría adoptar teóricamente una enorme cantidad de conformaciones, y sin embargo el plegamiento ocurre en milisegundos a segundos. Esta paradoja, conocida como la paradoja de Levinthal, muestra que el plegamiento no es una búsqueda aleatoria sino que sigue rutas específicas. El plegamiento está guiado por el colapso hidrofóbico, los puentes de hidrógeno y la formación de elementos estructurales secundarios que restringen la búsqueda conformacional.
El Paisaje Energético
El plegamiento de proteínas se describe mediante el concepto de paisaje energético o embudo de plegamiento. El paisaje en forma de embudo tiene muchas conformaciones desplegadas de alta energía en la parte superior y un único estado nativo de baja energía en la parte inferior. El embudo no es liso sino que contiene mínimos de energía locales donde los intermediarios parcialmente plegados pueden acumularse. Algunas proteínas se pliegan a través de intermediarios bien definidos, mientras que otras se pliegan mediante una compactación más gradual. Los paisajes accidentados con trampas cinéticas profundas pueden llevar al mal plegamiento y la agregación.
Colapso Hidrofóbico
La fuerza impulsora del plegamiento de proteínas es el efecto hidrofóbico. Las cadenas laterales no polares se agrupan en el interior de la proteína, minimizando su exposición al agua. Este colapso hidrofóbico es termodinámicamente favorable porque libera moléculas de agua de las capas de solvatación ordenadas alrededor de las superficies hidrofóbicas, aumentando la entropía. El glóbulo colapsado luego sufre reordenamientos estructurales para formar la estructura nativa, formándose la estructura secundaria y terciaria concurrentemente.
Chaperonas Moleculares
Las chaperonas moleculares son proteínas que ayudan al plegamiento sin formar parte de la estructura final. Previenen la agregación al unirse a superficies hidrofóbicas expuestas de proteínas desplegadas o parcialmente plegadas. Las chaperonas no contienen información estérica para el plegamiento pero previenen interacciones inapropiadas que llevan al mal plegamiento.
Sistema de Chaperonas Hsp70
La familia Hsp70 incluye Hsc70 expresada constitutivamente y Hsp70 inducida por estrés. Hsp70 reconoce parches hidrofóbicos expuestos en proteínas desplegadas a través de su dominio de unión a sustrato C-terminal. La unión y liberación están reguladas por la hidrólisis de ATP en el dominio de unión a nucleótidos N-terminal. Las proteínas J, como Hsp40, estimulan la hidrólisis de ATP y entregan sustratos a Hsp70. Los factores de intercambio de nucleótidos como Bag-1 y HspBP1 facilitan la liberación de ADP y la reuniión de ATP.
Chaperoninas
Las chaperoninas son grandes complejos en forma de barril que proporcionan una cámara aislada para el plegamiento de proteínas. Las chaperoninas del Grupo I en bacterias incluyen GroEL y su cofactor GroES. GroEL forma un doble anillo apilado de siete subunidades cada uno, creando una cavidad central. La proteína desplegada se une en la cavidad, GroES tapa la cámara, y la hidrólisis de ATP induce cambios conformacionales que liberan la proteína en el espacio cerrado para su plegamiento. Las chaperoninas del Grupo II en eucariotas, llamadas TRiC o CCT, funcionan sin un cofactor separado y ayudan al plegamiento de proteínas del citoesqueleto como la actina y la tubulina.
Proteína Disulfuro Isomerasa
La proteína disulfuro isomerasa cataliza la formación y el reordenamiento de puentes disulfuro en el retículo endoplasmático. Contiene dominios similares a tiorredoxina con residuos de cisteína en el sitio activo que forman disulfuros mixtos con las proteínas sustrato. La PDI puede introducir, reducir o isomerizar puentes disulfuro, asegurando que se logre el emparejamiento correcto de los residuos de cisteína a medida que la proteína se pliega. El estado redox del RE se mantiene mediante el tampón de glutatión, con un ambiente oxidado que favorece la formación de disulfuros.
Peptidil-Prolil Isomerasas
Las peptidil-prolil isomerasas aceleran la isomerización cis-trans de los enlaces peptídicos de prolina, que es intrínsecamente lenta y puede limitar la velocidad del plegamiento de proteínas. Hay tres familias: ciclofilinas, proteínas de unión a FK506 y parvulinas. Las ciclofilinas son dianas del inmunosupresor ciclosporina A. Las PPI están presentes en todos los compartimentos celulares y ayudan al plegamiento de proteínas que contienen residuos de prolina. La actividad PPI es particularmente importante para el plegamiento del colágeno, donde las repeticiones de glicina-prolina-hidroxiprolina son abundantes.
Mal Plegamiento y Enfermedad
El mal plegamiento y la agregación de proteínas están asociados con muchas enfermedades. La enfermedad de Alzheimer implica la agregación de péptidos beta-amiloides en placas amiloides y de la proteína tau en ovillos neurofibrilares. La enfermedad de Parkinson presenta agregación de alfa-sinucleína en cuerpos de Lewy. La enfermedad de Huntington resulta de la expansión de poliglutamina en la proteína huntingtina. Las enfermedades priónicas implican la conversión de la proteína priónica normal en una conformación anormal propensa a la agregación que es infecciosa. En todas estas enfermedades, el equilibrio entre el plegamiento de proteínas, la asistencia de chaperonas y la degradación se ve interrumpido.
