El descubrimiento de la α-hélice y la β-hoja, las principales características estructurales de las proteínas

Resumen

Los artículos de Linus Pauling, Robert Corey y Herman Branson publicados en la primavera de 1951 en el SNAS propusieron la α-hélice y la β-hoja, que ahora se sabe que forman las columnas vertebrales de decenas de miles de proteínas. Dedujeron estos elementos fundamentales a partir de las propiedades de las moléculas pequeñas, conocidas tanto por las estructuras cristalinas como por la teoría de la resonancia de Pauling sobre el enlace químico, que predecía los grupos peptídicos planares. Los intentos anteriores de construir modelos para las hélices de las proteínas habían fracasado tanto por incluir péptidos no planos como por insistir en hélices con un número integral de unidades por vuelta. En aspectos importantes, los modelos Pauling-Corey-Branson eran asombrosamente correctos, incluyendo longitudes de enlace que no fueron superadas en precisión durante >40 años. Sin embargo, no consideraron la mano de la hélice ni la posibilidad de hojas dobladas. También propusieron estructuras y funciones que no se han encontrado, incluida la γ-hélice.

Década antes de que las estructuras de proteínas enteras fueran reveladas por primera vez mediante cristalografía de rayos X, Linus Pauling y Robert Corey, del Instituto Tecnológico de California (Fig. 1), dedujeron las dos principales características estructurales de las proteínas: la α-hélice y la β-hoja, que ahora se sabe que forman las columnas vertebrales de decenas de miles de proteínas. Sus deducciones, triunfos en la construcción de modelos de grandes moléculas basados en características de moléculas más pequeñas, se publicaron en una serie de ocho artículos, comunicados a PNAS en febrero y marzo de 1951. Su trabajo tuvo una importancia para las proteínas comparable a la que tuvo, dos años después, el artículo de Watson-Crick sobre el ADN, que adoptó el enfoque de construcción de modelos de Pauling-Corey. Aquí resumo los puntos principales de estos artículos históricos, y luego menciono algunas omisiones sorprendentes de los mismos.

iv xmlns:xhtml=»http://www.w3.org/1999/xhtml Fig. 1.

Linus Pauling y Robert Corey (A) y Herman Branson (B). Los profundos conocimientos de Pauling sobre la estructura química y los enlaces, su memoria retentiva para los detalles y su talento creativo fueron factores que contribuyeron al descubrimiento de la α-hélice. Robert Corey era un digno y tímido cristalógrafo de rayos X con los conocimientos y la paciencia necesarios para elaborar estructuras difíciles, lo que proporcionó a Pauling la información fundamental que necesitaba. Herman Branson era un físico en excedencia en el Instituto de Tecnología de California, al que Pauling dirigió para que encontrara todas las hélices consistentes con las reglas de la química estructural que él y Corey habían determinado. La hélice de madera entre Pauling y Corey tiene una escala de 1 pulgada por Å, una ampliación de 254.000.000 veces. (A) Cortesía de los Archivos del Instituto Tecnológico de California. (B) Cortesía de los Archivos de la Universidad Lincoln de Pensilvania.

El más revolucionario de estos artículos es el primero, enviado a PNAS en el 50º cumpleaños de Pauling, el 28 de febrero de 1951. Se trata de La estructura de las proteínas: Two Hydrogen-Bonded Helical Configurations of the Polypeptide Chain (1), en el que Pauling y Corey están acompañados por un tercer coautor, H. R. Branson, un físico afroamericano, entonces en excedencia de su puesto de profesor en la Universidad de Howard (Fig. 1). En el párrafo inicial, los autores afirman que «hemos atacado el problema de la estructura de las proteínas de varias maneras. Una de ellas es la determinación completa y precisa de la estructura cristalina de los aminoácidos, péptidos y otras sustancias simples relacionadas con las proteínas, con el fin de obtener información sobre las distancias interatómicas, los ángulos de enlace y otros parámetros configuracionales que permitan predecir de forma fiable las configuraciones razonables de la cadena polipeptídica». En otras palabras, el químico estructural Pauling creía que con una lista precisa de partes de las proteínas en la mano sería capaz de inferir aspectos importantes de su arquitectura general, y así resultó ser.

Los dos párrafos siguientes exponen concisamente el método: «El problema que nos hemos planteado es el de encontrar todas las estructuras con enlaces de hidrógeno para una misma cadena polipeptídica, en la que los residuos sean equivalentes (salvo las diferencias en la cadena lateral R)». Es decir, los autores buscaron todas las posibles estructuras de repetición (hélices) en las que el grupo carbonilo CImagen incrustadaO de cada residuo de aminoácido acepta un enlace de hidrógeno N-H de otro residuo. ¿Por qué creían que sólo habría un pequeño número de tipos de hélices? Por las limitaciones de la estructura impuestas por las longitudes precisas de los enlaces y los ángulos de enlace que habían encontrado en sus estudios anteriores de las estructuras cristalinas de los aminoácidos y los péptidos, los componentes a partir de los cuales se construyen las proteínas. La restricción más importante era que los seis átomos del grupo amida (o péptido), que une cada residuo de aminoácido con el siguiente en la cadena de la proteína, estuvieran en un solo plano. Pauling había predicho los grupos peptídicos planares debido a la resonancia de los electrones entre el doble enlace del grupo carbonilo y el enlace amida C-N del grupo peptídico (Esquema 1).

Esquema 1.

De hecho, tales grupos peptídicos planares se habían observado en las estructuras cristalinas de la N-acetilglicina y la β-glicina. Como dicen los autores: «Esta característica estructural se ha verificado para cada una de las amidas que hemos estudiado. Además, la teoría de la resonancia está ahora tan bien fundamentada y su corroboración experimental es tan amplia que no puede haber ninguna duda sobre su aplicación al grupo amida.»

Cuando Pauling, Corey y Branson construyeron hélices con grupos amida planares, con las dimensiones de enlace precisas que habían observado en las estructuras cristalinas, y con enlaces de hidrógeno lineales de longitud 2,72 Å, descubrieron que sólo había dos posibilidades. A estas dos las llamaron la hélice con 3,7 residuos por vuelta y la hélice con 5,1 residuos por vuelta (Fig. 2), que pronto se llamarían la hélice α y la hélice γ.

Fig. 2.

La hélice α (izquierda) y la hélice γ (derecha), tal y como se representan en el artículo de 1951 de Pauling, Corey y Branson (1). Los bioquímicos observarán que los grupos CEmbedded ImageO de la α-hélice apuntan en dirección a su extremo C, mientras que los de la γ-hélice apuntan hacia su extremo N, y, además, que la α-hélice mostrada es zurda y está formada por d-aminoácidos. (Reproducido con el permiso de Linda Pauling Kamb.)

Gran parte del resto de este breve y brillante artículo se dedica a la comparación de estas dos hélices con otras propuestas anteriormente por otros, sobre todo por Bragg, Kendrew y Perutz (2) en un artículo del año anterior, que intentaron enumerar todas las posibles hélices de las proteínas, pero no incluyeron estas dos. En su artículo sobre la hélice α, Pauling et al. adoptan un tono de triunfo: «Ninguno de estos autores propone nuestra hélice de 3,7 residuos ni nuestra hélice de 5,1 residuos. En cambio, nosotros eliminaríamos con nuestros postulados básicos todas las estructuras propuestas por ellos. La razón de la diferencia en los resultados obtenidos por otros investigadores y por nosotros a través de argumentos esencialmente similares es que tanto Bragg como sus colaboradores… discutieron en detalle sólo las estructuras helicoidales con un número integral de residuos por vuelta, y además asumen sólo una aproximación a los requerimientos sobre distancias interatómicas ángulos de enlace, y planaridad del grupo amida conjugado, como se da en nuestras investigaciones de sustancias más simples. Sostenemos que estas características estereoquímicas deben conservarse muy estrechamente en las configuraciones estables de las cadenas polipeptídicas de las proteínas, y que no existe una estabilidad especial asociada a un número integral de residuos por vuelta en la molécula helicoidal.» En resumen, la estereoquímica es importante para determinar qué hélices son posibles, y la simetría integral no tiene ningún papel.

Hoy en día, aceptamos sin pensarlo dos veces que las hélices no necesitan tener un número integral de unidades monoméricas por vuelta. Pero en 1950, los antecedentes cristalográficos de Bragg, Kendrew y Perutz, tres de los más grandes científicos estructurales del siglo XX, les endilgaron la noción de números integrales de unidades por celda unitaria. También pasaron por alto la necesidad de los grupos peptídicos planares. Al trabajar en el departamento de física de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), desconocían la conjugación con dobles enlaces cercanos. El profesor de química orgánica de Cambridge en aquella época era Alexander Todd, que trabajaba al otro lado del patio de Bragg y su equipo. Todd recordaba (3) que «a pesar de la proximidad, Bragg nunca, que yo sepa, puso un pie en el laboratorio químico… hasta que un día… vino a mi habitación en un estado de ánimo algo agitado, llevando un montón de papeles en la mano», entre ellos el de Pauling-Corey-Branson y el suyo propio sobre las hélices. Bragg le preguntó a Todd si prefería la α-hélice a las hélices que Bragg y sus colaboradores habían inventado. Todd respondió: «Creo que, dadas las pruebas, cualquier químico orgánico aceptaría la opinión de Pauling. De hecho, si en algún momento desde que estoy en Cambridge hubiera venido al laboratorio químico, yo… se lo habría dicho».

La idea de la α-hélice no integral se le había ocurrido a Pauling 3 años antes, cuando era profesor visitante en la Universidad de Oxford. Se resfrió con el clima húmedo y pasó varios días en cama. Recordó (4) que pronto se aburrió con las novelas de detectives y «no tenía ningún modelo molecular conmigo en Oxford, pero cogí una hoja de papel y dibujé los átomos con los enlaces entre ellos y luego doblé el papel para doblar un enlace en el ángulo correcto, lo que yo pensaba que debía ser en relación con el otro, y seguí haciendo esto, formando una hélice, hasta que pude formar enlaces de hidrógeno entre una vuelta de la hélice y la siguiente vuelta de la hélice, y sólo tardé unas horas en hacer eso para descubrir la α-hélice.»

¿Por qué Pauling tardó 3 años en publicar este hallazgo que se le ocurrió en sólo unas horas? La respuesta la dio en su discurso del banquete del tercer simposio de la Sociedad de Proteínas en Seattle en 1989. Le inquietaba que el patrón de difracción de la α-queratina mostrara como característica meridional principal un fuerte reflejo a 5,15-Å de resolución, mientras que la repetición de la α-hélice calculada a partir de sus modelos con Corey estaba a 5,4 Å. Como dice en su cuarto artículo de la serie PNAS con Corey: «El arco de 5,15-Å parece a primera vista descartar la α-hélice, para la cual el período del eje c debe ser un múltiplo de la distancia del eje por vuelta…» Pero entonces llegó el artículo de 1950 de Bragg, Kendrew y Perutz que enumeraba las posibles hélices de las proteínas. Pauling dijo a su audiencia en 1989: «Sabía que si podían dar con todas las hélices erróneas, pronto darían con la única correcta, por lo que sentí la necesidad de publicarla»

El origen de la discrepancia entre la repetición de la α-hélice y el reflejo de rayos X de la α-queratina fue dado un año después por Francis Crick (5), entonces estudiante de posgrado con Perutz, y también por Pauling. Se trata de que la queratina es una espiral enrollada, con α-hélices que se enrollan entre sí. La excursión más amplia de la α-hélice en el serpentín reduce su distancia de repetición a 5,1 Å. Esta habilidad para saber qué hecho contradictorio ignorar fue una de las grandes capacidades de Pauling como científico creativo.

Las hojas β

El segundo artículo de la serie apareció como uno de un grupo de siete en un solo número de PNAS. Era: La hoja plisada, una nueva configuración de capas de las cadenas polipeptídicas (6). En este artículo, Pauling y Corey informan de que han descubierto una configuración de capas de cadenas polipeptídicas con enlaces de hidrógeno, en la que los grupos peptídicos planares se encuentran en el plano de la hoja, y las cadenas proteicas sucesivas pueden ir en direcciones opuestas, dando una hoja antiparalela, así como una hoja paralela. En ambas, se forman de nuevo enlaces H lineales, pero entre cadenas de proteínas en lugar de dentro de una sola cadena. Esto da lugar a cadenas de proteínas que no están totalmente extendidas: el aumento por residuo es de 3,3 Å, un espaciado observado en los patrones de difracción de rayos X de la β-queratina, en lugar de 3,6 Å, esperado para una cadena de proteínas totalmente extendida.

Confirmación de los modelos α-hélice y β-hoja

La confirmación de la α-hélice vino de Max Perutz, uno de los tres autores del artículo de 1950 que había enumerado las hélices erróneas. Un sábado por la mañana, en la primavera de 1951, se encontró con el artículo del PNAS (7). «El artículo de Pauling y Corey me dejó estupefacto. En contraste con las hélices de Kendrew y las mías, las suyas estaban libres de tensiones; todos los grupos amida eran planares y cada grupo carbonilo formaba un enlace de hidrógeno perfecto con un grupo imino cuatro residuos más adelante en la cadena. La estructura parecía perfecta. ¿Cómo se me pudo pasar? Volví a casa para almorzar y me lo comí sin prestar atención a la charla de mis hijos y sin responder a las preguntas de mi mujer sobre qué me pasaba hoy».

De repente, Perutz tuvo una idea: «La α-hélice de Pauling y Corey era como una escalera de caracol en la que los residuos de aminoácidos formaban los peldaños y la altura de cada peldaño era de 1.5 Å. Según la teoría de la difracción, esta repetición regular debería dar lugar a un fuerte reflejo de rayos X con una separación de 1,5 Å de los planos perpendiculares al eje de la fibra… Enloquecido, volví al laboratorio y busqué un pelo de caballo que tenía guardado en un cajón…» y lo puse en el haz de rayos X con un ángulo de 31° respecto al haz para llevar la repetición de 1,5 Å a la posición de reflexión. «Después de un par de horas, revelé la película, con el corazón en la boca. En cuanto encendí la luz, encontré un fuerte reflejo a una distancia de 1,5-Å, exactamente como exigía la α-hélice de Pauling y Corey».

El lunes por la mañana, Perutz mostró su imagen de difracción de rayos X a Bragg. «Cuando me preguntó qué me había hecho pensar en este experimento crucial, le dije que la idea había surgido de mi furia por no haber construido yo mismo esa hermosa estructura. La rápida respuesta de Bragg fue: «¡Ojalá te hubiera hecho enfadar antes!» porque el descubrimiento del reflejo de 1,5-Å nos habría llevado directamente a la α-hélice». Perutz también encontró el reflejo de 1,5 A en la difracción de la hemoglobina. Escribió a Pauling (8): «El cumplimiento de esta predicción y, finalmente, el descubrimiento de este reflejo en la hemoglobina ha sido el descubrimiento más emocionante de mi vida.» Perutz, junto con sus compañeros de trabajo Dickerson, Kendrew, Strandberg y Davies, iba a hacer descubrimientos aún más emocionantes más tarde, incluyendo la observación de imágenes directas de α-hélices en la mioglobina y la hemoglobina.

Las láminas beta y las β-cintas monocatenarias se vieron por primera vez en las proteínas globulares como en la estructura de la lisozima de la clara de huevo en 1965 (9). Una sorpresa inicial fue que tanto las hebras como las láminas están retorcidas, a diferencia de las hebras rectas y las láminas plegadas de Pauling y Corey. En 1989 Pauling recordó que en cuanto vio la estructura de la lisozima con su hoja retorcida se dio cuenta de que debería haber incorporado la torsión en el modelo original. Más recientemente se han realizado análisis exhaustivos de la torsión y el cizallamiento en las estructuras β (10, 11).

Algunas omisiones sorprendentes de los documentos de 1951

Los químicos que observen detenidamente la α-hélice de la Fig. 2 notarán dos características sorprendentes: (i) Es una hélice zurda, a diferencia de las α-hélices de las proteínas biológicas, que ahora se sabe que son diestras. Es decir, si el pulgar izquierdo apunta a lo largo del eje de la hélice, ésta gira en la dirección de los dedos de la mano izquierda. (ii) La configuración de los grupos químicos alrededor de cada átomo de α-carbono tiene la configuración d, en lugar de la configuración l que se da naturalmente en los residuos de aminoácidos de las proteínas. Es decir, este modelo de Pauling et al. es la imagen especular de una α-hélice en una proteína natural. En cambio, la hélice γ de la Fig. 2 es una hélice derecha formada por residuos de aminoácidos d. ¿Por qué los autores eligieron dibujar la hélice α como zurda, con d-aminoácidos?

La base de esta elección ha sido analizada recientemente por Dunitz (12), que había sido becario postdoctoral en el Instituto Tecnológico de California en el momento de la investigación Pauling-Corey. De hecho, fue Dunitz quien convenció a Pauling para que cambiara su terminología de «espiral» a «hélice» al describir las nuevas estructuras proteicas. En su análisis, Dunitz señala que 1951, el año de la α-hélice, fue también el año en que J. M. Bijvoet estableció la configuración absoluta de las moléculas mediante la dispersión anómala de rayos X. Tras recordar las discusiones sobre la lateralidad en el Instituto Tecnológico de California en ese año, Dunitz concluye: «O bien Pauling desconocía estos avances cuando escribió el artículo sobre la α-hélice, o bien los conocía pero no le interesaban… Tiendo a creer que cuando escribieron el artículo, o muy posiblemente incluso cuando hicieron los modelos, Pauling (o su colega Robert B. Corey) simplemente eligieron una de las dos configuraciones de aminoácidos (como ocurrió, la incorrecta) para ilustrar las estructuras helicoidales y no pensaron mucho en el problema de la configuración absoluta… Los problemas de configuración absoluta recibieron poca o ninguna atención porque entonces no parecían ser necesarios. Tal vez incluso se consideraban una distracción de la tarea que se estaba llevando a cabo. A veces uno puede concentrarse más claramente cerrando un ojo»

También falta en el primer artículo algo más que una mención de pasada a la hélice 310, un componente de las proteínas globulares que se encuentra raramente en segmentos cortos, pero más común que la hélice γ de Pauling-Corey-Branson, que prácticamente nunca se ve. Los enlaces H de la hélice 310 son demasiado largos y doblados para que los estrictos umbrales establecidos por los autores los acepten. Su intuición acerca de que los enlaces de hidrógeno doblados y largos desestabilizan las estructuras era básicamente correcta, pero los umbrales que establecieron son más estrictos que los que se utilizan hoy en día (13), ahora que sabemos que la naturaleza acepta la hélice 310.

Otra omisión del conjunto de artículos de 1951 es el diagrama de Ramachandran. Se trata de un diagrama en 2D de los valores permitidos de rotación sobre los enlaces N-Cα y Cα-CImagen incrustadaO en el esqueleto de las proteínas, introducido por Ramachandran y otros en 1964 (14). Este diagrama muestra que la mayoría de los valores de rotación sobre estos dos enlaces están prohibidos por las colisiones de los átomos de la proteína. Sólo se permiten dos regiones principales del diagrama: una corresponde a la α-hélice, y otra a las cadenas casi extendidas de las β-hojas. Hoy en día, el diagrama de Ramachandran se enseña en todas las clases sobre la estructura de las proteínas y aparece en todos los libros de texto para dar una idea de las fuerzas que determinan las estructuras de las proteínas. Pero no hay nada en este diagrama más allá de lo que Pauling y Corey conocían bien: construyeron modelos de sus estructuras propuestas que incorporaban todas las características del diagrama de Ramachandran. Al parecer, entendían tan bien los principios que no sentían la necesidad de explicarlos mediante un diagrama de este tipo. Otro factor puede haber sido que Pauling y Corey se centraron más en la estabilidad proporcionada por los enlaces de hidrógeno y menos en las restricciones de las posibles estructuras dictadas por las colisiones entre átomos no enlazados.

Los otros seis artículos de PNAS de Pauling y Corey y el contexto más amplio

Los seis artículos restantes de PNAS dan las coordenadas atómicas de los modelos e interpretan los patrones de difracción de las proteínas fibrosas en términos de los modelos. Hay muchas cosas en estos artículos que no se han confirmado, incluida la propuesta de que la contracción muscular es una transición de hebras β extendidas a hélices α compactas. Sin embargo, la impresionante corrección de las α-hélices y las β-hojas y el audaz enfoque de modelar las estructuras biológicas a partir de principios químicos eclipsan el resto.

Estos trabajos son aún más notables si tenemos en cuenta el contexto político en el que fueron escritos. Durante este periodo, Pauling también estuvo muy implicado en la defensa de los académicos, incluido él mismo, contra las acusaciones de deslealtad a los Estados Unidos, provocadas por las presiones de la Guerra Fría y lo que se conoció como macartismo. Fue citado a comparecer ante varios comités de investigación anticomunistas, recibió cartas de odio por su trabajo en causas liberales y se enfrentó a la cancelación de su importante contrato de consultoría y a la frialdad de algunos colegas del Instituto Tecnológico de California. El día después de que Pauling y Corey presentaran sus siete documentos sobre proteínas para su publicación, el Comité de Actividades Antiamericanas de la Cámara de Representantes nombró a Pauling como uno de los principales estadounidenses implicados en una «Campaña para desarmar y derrotar a los Estados Unidos» (8). El comunicado de prensa decía: «Todo su historial… indica que el Dr. Linus Pauling se dedica principalmente a poner sus logros científicos al servicio de una serie de organizaciones que tienen en común su completa sumisión al Partido Comunista de los Estados Unidos y a la Unión Soviética». De alguna manera, incluso ante tales falsas invectivas y múltiples distracciones, Pauling pudo mantener su concentración como científico creativo de primera línea.

Agradecimientos

Agradezco a David R. Davies, Richard E. Dickerson, Jack Dunitz, Richard E. Marsh, y Doug Rees por la discusión.

Notas al pie

  • ↵* Correo electrónico: david{at}mbi.ucla.edu.

  • Esta perspectiva se publica como parte de una serie que destaca los artículos emblemáticos publicados en PNAS. Lea más sobre este artículo clásico de PNAS en línea en www.pnas.org/misc/classics.shtml.

  • ↵† Las longitudes de los enlaces están todas dentro de una desviación estándar de las determinadas 40 años después (15).

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