Hipótesis del ciclol

Hipótesis del ciclol
Reacción del ciclol clásica. Dos grupos peptídicos se unen por enlace N-C', convirtiendo el oxígeno carbonílico en una grupo hidroxilo. Si bien esta reacción ocurre en unos pocos péptidos cíclicos, es desfavorable por la energía libre de Gibbs, principalmente porque elimina la estabilización por resonancia del enlace peptídico. Esta reacción es la base de la hipótesis del ciclol.
Representación de la estructura proteica, tal cual es conocida en la actualidad, con sus tres niveles: arriba, el nivel primario, compuesto por la cadena peptídica, la cadena de aminoácidos; a continuación, los dos modelos conformacionales característicos, la alfa hélice (derecha), beta lámina (izquierda), propios de la estructura secundaria; en tercer lugar, el nivel secundario y, debajo, el terciario, que detalla algunos de los aspectos volumétricos de la proteína.

La hipótesis del ciclol es una teoría científica obsoleta considerada el primer modelo estructural creado para describir el plegamiento de una proteína globular.[1] Fue propuesta por la matemática inglesa Dorothy Wrinch a finales de los años 1930 basándose en tres premisas. Primera, la hipótesis asume que dos grupos peptídicos pueden unirse mediante la reacción del ciclol, formando enlaces covalentes análogos a enlaces de hidrógeno. Estas reacciones fueron observadas en los ergopéptidos y otros compuestos. En segundo lugar asume que, en determinadas condiciones, los aminoácidos tienden naturalmente a formar el máximo número posible de «enlaces ciclol», dando lugar a moléculas de cicloles y estructuras de cicloles. Ambas estructuras hipotéticas no han sido nunca observadas. Finalmente, la hipótesis supone que las proteínas globulares tienen una estructura terciaria que se corresponde con los sólidos platónicos y los poliedros semirregulares formados por estructuras de ciclol sin bordes libres. Estos «cicloles cerrados» tampoco han sido observados experimentalmente.

Aunque los datos experimentales obtenidos en el laboratorio demostraron que este modelo no se corresponde con la realidad, algunos de sus elementos, como la reacción del ciclol y la hipótesis de la interacción hidrófoba, son parte fundamental del plegamiento de proteínas. La hipótesis del ciclol abrió el camino a la investigación de muchos científicos en torno a la estructura de las proteínas y su reactividad y fue la precursora de los modelos hipotéticos de la doble hélice de ADN y la estructura secundaria de las proteínas. La propuesta de Wrinch y la comprobación del modelo se consideran, en la literatura científica, un ejemplo excelente de aplicación del falsacionismo empírico como parte del método científico.

Contenido

Contexto histórico

A mediados de los años 1930 los estudios de ultracentrifugación analítica de Theodor Svedberg mostraron que las proteínas poseían una estructura química definida y no eran un conjunto de pequeñas moléculas.[2] Los mismos estudios aparentemente mostraban que el peso molecular de las proteínas podían clasificarse en unos grupos bien definidos por números enteros,[3] como Pmolecular = 2p3q uma, donde p y q eran enteros y positivos.[4] Sin embargo, resultaba complicado determinar el peso molecular exacto y el número de aminoácidos de una proteína. Svedberg también demostró que un cambio de las condiciones de la disolución podía causar que la proteína se desintegrase en unidades menores, un hecho que no parecía coincidir con lo conocido acerca de la estructura cuaternaria.[5]

En aquella época todavía se discutía acerca de la estructura química de las proteínas.[6] La hipótesis más aceptada, y que después se demostraría correcta, es que las proteínas eran polipéptidos lineares, esto es, polímeros no ramificados de aminoácidos unidos por enlace peptídico.[7] [8] No obstante, una proteína típica es un polímero muy largo, formado por cientos de aminoácidos, por lo que bastantes científicos distinguidos discutían si una macromolécula tan larga y lineal podía ser estable en disolución.[9] [10] Además, la observación experimental de que algunas enzimas eran capaces de romper proteínas pero no péptidos, mientras que otras dividían péptidos pero no proteínas plegadas provocaba serias dudas.[11] Los intentos de síntesis de proteínas en tubos de ensayo fueron fallidos, debidos principalmente a la quiralidad de los aminoácidos, pues las proteínas naturales están compuestas exclusivamente de aminoácidos levógiros. Todas estas dudas hicieron que se considerasen otros modelos de proteínas, como la «hipótesis de la dicetopiperacina» de Emil Abderhalden.[12] [13] Sin embargo, ningún modelo alternativo fue capaz de explicar por qué las proteínas liberaban sólo aminoácidos y péptidos por hidrólisis y proteólisis. Como clarificó Linderstrøm-Lang,[14] estos datos experimentales mostraban que las proteínas desnaturalizadas eran polipéptidos, pero no aportaban información acerca de la estructura o el plegamiento de estas macromoléculas, pues la desnaturalización podía provocar una transformación química que convirtiese en polipéptidos sencillos a las proteínas.

Los procesos de desnaturalización de proteínas, una vez diferenciados de la coagulación, fueron descubiertos en 1910 por Harriette Chick y Charles Martin,[15] [16] [17] [18] pero su naturaleza exacta seguía siendo un misterio. Tim Anson y Alfred Mirsky demostraron que la desnaturalización era un «proceso reversible en dos fases»[19] que daba como resultado que muchos grupos funcionales anteriormente plegados estuvieran disponibles para reaccionar, incluyendo la posibilidad de que una enzima cortase la cadena.[20] En 1929, Hsien Wu propuso correctamente que la desnaturalización se producía por el despliegue de las proteínas, un cambio puramente conformacional que provocaba la exposición de las cadenas de aminoácidos al disolvente o a otros reactivos.[21] La hipótesis de Wu fue también propuesta independientemente en 1936 por Mirsky y Linus Pauling.[22] No obstante, los científicos no podían todavía excluir la posibilidad de que la desnaturalización fuera un cambio «químico» en la estructura de la proteína,[20] una hipótesis que fue considerada plausible, aunque remota, hasta los años 1950.[23] [24]

Tránsito de la estructura primaria a la estructura terciaria de una proteína según el modelo de cadena polipeptídica.

La cristalografía de rayos X comenzó como disciplina en 1911[25] y había avanzado rápidamente desde el estudio de cristales de sales sencillas a moléculas más complejas, como el colesterol.[26] Sin embargo, hasta la proteína más pequeña tiene al menos mil átomos, lo que hace que su determinación estructural sea mucho más compleja. En 1934, Dorothy Crowfoot Hodgkin[27] obtuvo datos cristalográficos de la estructura de una proteína pequeña, la insulina, aunque su estructura final no fue elucidada hasta finales de los años 1960.[28] Sin embargo, los primeros datos de difracción de fibras con rayos X de escleroproteínas (proteínas con estructura de fibra) naturales como la lana o el pelo fueron obtenidos a principios de los años 1930 por William Astbury,[29] que propuso algunos modelos rudimentarios para la estructura secundaria, como la presencia de hélices alfa y beta-láminas.[30]

Del mismo modo que la estructura proteica estaba poco estudiada en la década de 1930, las interacciones físicas responsables de la estabilización de la estructura resultaban un misterio. Astbury propuso que la estructura de las proteínas fibrosas se estabilizaba mediante enlaces de hidrógeno en las láminas β.[31] [32] La idea de que las proteínas globulares también se estabilizaban por puntes de hidrógeno fue propuesta por Dorothy Jordan Lloyd[33] [34] en 1932, y defendida posteriormente por Mirsky y Pauling.[22] En una conferencia de Astbury en 1933 a la Oxford Junior Scientific Society, el físico Frederick Frank sugirió que la α-queratina, una escleroproteína, podría estabilizarse gracias a un mecanismo alternativo, la interacción covalente entre los enlaces peptídicos según la reacción del ciclol.[35] Esta estructura de cicloles permite que los dos grupos peptídicos se coloquen cerca (los átomos de nitrógeno y carbono se situarían a ~1.5 Å, mientras que mediante enlaces de hidrógeno se sitúan a ~3 Å). Considerando la propuesta de Frank, J. D. Bernal sugirió a la matemática Dorothy Wrinch que explorase esta posibilidad para entender la estructura de las proteínas.[36]

Teoría

La estructura de ciclol propuesta por Dorothy Wrinch para una proteína compuesta por seis moléculas de alanina. Se trata de una hexapéptido en la que tres grupos peptídicos están enlazados al anillo central por reacciones del ciclol. Los tres grupos externos, no enlazados, no son planos, sino que forman un ángulo diedro ω=60°. Los tres átomos de color rojo del anillo central representan los grupos hidroxilo formados por la reacción del ciclol, mientras que los exteriores corresponden a los oxígenos de los carbonilos. Los átomos de oxígeno interiores están separados por sólo 2,45 Å, una distancia extremadamente corta incluso para átomos unidos por enlace de hidrógeno. Esta molécula hipotética no ha sido observada en la naturaleza.

Dorothy Maud Wrinch propuso un modelo completo para explicar la estructura de las proteínas basado en la hipótesis del ciclol. El modelo básico del ciclol apareció por primera vez en un artículo de 1936.[37] En él, Wrinch muestra que los polipéptidos pueden formar ciclos (hipótesis que se demostró correcta) y que estos anillos pueden presentar interacciones enlazantes internas mediante la reacción del ciclol, hipótesis que es cierta, pero que después se demostró infrecuente en las proteínas. Asumiendo que la forma de ciclol del enlace peptídico puede ser más estable que en forma de amida, Wrinch concluyó que ciertos péptidos cíclicos formarán el máximo número posible de enlaces tipo ciclol (como el ciclol 6, en la figura). Estas moléculas tipo ciclol tendrían simetría hexagonal si los enlaces químicos tienen la misma longitud, aproximadamente 1,5 Å; en comparación, los enlaces nitrógeno-carbono y C-C tienen una longitud de 1,42 Å y 1,54 Å, respectivamente.[38]

Estos anillos pueden extenderse indefinidamente para formar una estructura de cicloles, que muestran un orden extenso y casi cristalino que Wrinch propuso como adecuado para englobar cientos de residuos de aminoácidos, como en el caso de una proteína.[39] Además, sus cadenas laterales apuntan axialmente hacia arriba sólo desde una cara, es decir, una de las caras de la estructura es completamente independiente de la estructura primaria del péptido, lo que podría explicar las propiedades independientes de la secuencia de la cadena que muestran las proteínas.[37]

En su artículo inicial, Wrinch expone claramente que el modelo del ciclol es simplemente una «hipótesis de trabajo», una hipótesis potencialmente válida que debía contrastarse con los datos empíricos. Su éxito radica en proponer un modelo bien definido y examinable, de tal manera que se podía utilizar para predecir resultados experimentales.[40] Sin embargo, los experimentos realizados en los años siguientes demostraron que la hipótesis del ciclol no era válida para las proteínas globulares.[38]

Energía de estabilización

En dos cartas conjuntas al director (1936),[41] [42] Wrinch y Frank contestan a la pregunta de si la forma de ciclol para el grupo peptídico es más estable que la forma de amida. Las amidas se forman a partir de los grupos amino de los aminoácidos según los siguientes mecanismos:

Amide formation from amine.gif

Además, las amidas están fuertemente estabilizadas por efecto mesómero: el par de electrones libres del nitrógeno se desolocaliza en el carbonilo, formando un doble enlace parcial. La acetamida resultante es descrita a la vez por las dos formas resonantes, colaborando la primera en un 62% y la segunda en un 28%.[43]

Amide Bond Resonance.jpg

Un cálculo relativamente simple muestra que la forma de ciclol es significativamente menos estable que la amida, por lo que el modelo debería haber sido abandonado hasta identificar un efecto que compensase la energía. Inicialmente Frank propuso que la forma de ciclol podía estabilizarse por sus interacciones con el disolvente; posteriormente, Wrinch y Irving Langmuir presentaron la hipótesis de que la interacción hidrofóbica de las cadenas laterales, apolares, proporciona la suficiente energía de estabilización para compensar el coste energético de los cicloles.[44] [45]

Modelo de varillas de la estructura de cicloles de alanina propuesta por Dorothy Wrinch. Conceptualmente es similar a una lámina beta, pero más uniforme y densa. La estructura presenta huecos en su patrón hexagonal, en el que tres átomos Cβ (en verde) y tres átomos Hα (en blanco) convergen en un espacio relativamente vacío. Las dos caras de la estructura no son equivalentes: todos los Cβ emergen del mismo lado, situado en la parte superior de la figura. Los átomos en rojo representan hidroxilos (no carbonilos) y emergen, en grupos de tres, de las dos caras de la estructura. Finalmente, los átomos azules representan nitrógeno. Esta molécula hipotética no ha sido observada en la naturaleza.

La labilidad del enlace del ciclol se consideró una «ventaja» del modelo, puesto que proporcionaba una explicación directa para la desnaturalización: la reversión de los cicloles a las amidas, más estables, abría la estructura y permitía que los enlaces fueran atacados por proteasas, datos a priori consistentes con los resultados experimentales.[46] [47] Los primeros estudios mostraron que las proteínas desnaturalizadas por presión se encontraban frecuentemente en un estado diferente a las mismas proteínas desnaturalizadas por alta temperatura, lo que fue interpretado como una confirmación del modelo del ciclol.[48]

La hipótesis de Langmuir y Wrinch de la estabilización hidrofóbica fue desestimada al mismo tiempo que la hipótesis del ciclol, debido principalmente a la influencia de Linus Pauling, defensor de la estabilización por enlaces de hidrógeno.[49] Tuvieron que pasar veinte años para que las interacciones hidrofóbicas fueran reconocidas como los agentes principales del plegamiento en las proteínas.[50]

Complementariedad estérica

En su tercer artículo sobre los cicloles, (1936),[51] Wrinch hace notar que muchas sustancias «fisiológicamente activas», como los esteroides estaban formadas por anillos de carbono hexagonales, derivados del benceno, que podían actuar como complementos estéricos de la cara de las estructuras de cicloles sin cadenas laterales de aminoácidos. Wrinch presentó esta complementariedad como uno de los factores predominantes para determinar si una molécula pequeña podía enlazarse con moléculas semejantes formando una proteína.

En el mismo artículo especula, acertadamente, sobre cómo las proteínas debían ser las responsables de la síntesis de todas las moléculas biológicas. Observando que las células sólo digieren sus proteínas en condiciones de hambre extrema, propuso que la vida no podría existir sin proteínas.[38]

Modelos híbridos

Desde el principio la reacción del ciclol fue considerada un análogo covalente del enlace de hidrógeno, por lo que era normal considerar modelos híbridos con ambos tipos de enlaces. Éste fue el tema del cuarto artículo de Wrinch sobre el modelo del ciclol (1936),[52] escrito conjuntamente con Dorothy Jordan Lloyd, que propuso en un principio que las moléculas globulares se estabilizaban por enlaces de hidrógeno.[33] Le siguió un nuevo artículo, escrito en 1937, que incluía las investigaciones acerca del enlace de hidrógeno en proteínas, como las de Maurice Loyal Huggins y Linus Pauling.[53]

Wrinch también escribió un artículo con William Astbury, presentando la posibilidad de que la tautomería ceto-enólica del >CαHα y el carbonilo de un grupo amida >C=O, formaran un enlace mixto >Cα-C(OHα)< dejando libre un oxígeno para el grupo hidroxilo.[54] El mecanismo general de la tautomería ceto-enólica es el siguiente:

Mecanismo general de la tautomería ceto-enólica

Estas reacciones pueden producir anillos de cinco átomos, mientras que la hipótesis del ciclol clásica los forma siempre de seis eslabones. Esta hipótesis pronto cayó en el olvido.[55]

Estructuras tridimensionales

Modelo de varillas de la estructura proteica tipo ciclol C1 propuesta por Dorothy Wrinch. Globalmente, la macromolécula es un tetraedro truncado compuesto por cuatro subestructuras de ciclol planas, cada una de ellas rodeando un espacio vacío y unidas entre sí par a par por cuatro residuos en cada lado (dos en cada vértice). Así, la molécula está formada por 72 aminoácidos enlazados, en este caso de alanina. La estructura se asemeja a una jaula, permitiendo la entrada de molécula menores dentro de su estructura. Esta molécula hipotética no ha sido observada en la naturaleza.

En su quinto artículo sobre los cicloles (1937),[56] Wrinch identificó las condiciones bajo las cuales dos estructuras tipo ciclol planas podían unirse para formar un nuevo ángulo entre sus planos respetando sus ángulos de enlace. En el artículo propone una simplificación matemática, en la que anillos de seis eslabones no planos pueden ser asimilados a medios hexágonos construidos por los puntos medios de los enlaces químicos. Esta representación de «medios hexágonos» permite que los planos de estructuras de cicloles se unan correctamente si el ángulo diedro entre los planos se iguala al ángulo tetraédrico, δ = arccos(-1/3) ≈ 109,47°.

Usando este mismo criterio se pueden proponer una gran cantidad de poliedros, entre los cuales los más simples son el tetraedro truncado, el octaedro truncado y el octaedro, que son sólidos platónicos y poliedros semirregulares. Considerando la primera serie de «cicloles cerrados», aquellos modelados a partir del tetraedro truncado, Wrinch demostró que el número de aminoácidos crecía de forma cuadrática según la expresión 72n2, donde n es el índice del ciclol Cn. De esta forma, el ciclol C1 tiene 72 residuos, el C2 288 residuos, etcétera. Los experimentos preliminares de Max Bergmann y Carl Niemann parecían confirmar esta hipótesis,[4] pues sugerían que las proteínas estaban compuestas por múltiplos enteros de 288 aminoácidos (correspondiente a n=2). Más generalmente, el modelo del ciclol para proteínas globulares era consistente con los datos experimentales obtenidos por ultracentrifugación por Theodor Svedberg, lo que sugería que el peso molecular de las proteínas podía asimilarse a unas pocas clases de números enteros.[2] [3]

El modelo del ciclol se mostró consistente con las propiedades características que presentan las proteínas plegadas.[57] En primer lugar, los estudios mediante centrifugación concluyeron que las proteínas plegadas eran significativamente más densas que el agua (~1.4 g/mL), por lo que debían estar firmemente empaquetadas; Wrinch asumió que un empaquetado denso implicaba una estructura regular. En segundo lugar, a pesar de su gran tamaño, algunas proteínas cristalizaban rápidamente formando cristales simétricos, un hecho consistente con la idea de caras simétricas capaces de encajar entre sí. En tercer lugar, algunas proteínas, como la hemoglobina, pueden formar enlaces organometálicos; como los metales de transición presentan geometrías de enlace específicas y regulares (por ejemplo octaédricas), se veía plausible que la proteína globalmente tuviera una estructura geométrica similar. En cuarto lugar, la hipótesis del ciclol proporciona una explicación químicamente simple para la desnaturalización y la dificultad de romper proteínas plegadas mediante proteasas. En quinto lugar, se suponía que las proteínas eran las responsables de la síntesis de todas las moléculas biológicas, incluyendo otras proteínas. Wrinch observó que una estructura uniforme podía ser muy útil para la síntesis de otras proteínas, análogamente al modelo de autorreplicación del ADN propuesto por Watson y Crick. Dado que muchas moléculas biológicas como los carbohidratos y los esteroles tienen una estructura hexagonal, se podía asumir que las proteínas que los sintetizaban también tenían una estructura hexaédrica. Wrinch finalmente resumió su modelo y los datos experimentales que parecían confirmarlo en tres artículos.[58] [59] [60]

Predicción de estructuras

Tras haber propuesto un modelo plausible para el plegamiento de las proteínas globulares, Wrinch investigó si era consistente con los datos estructurales disponibles en aquel tiempo. Entre 1937 y 1939 propuso la posibilidad de que la proteína tuberculina bovina (523) fuera un ciclol cerrado C1 de 72 residuos[61] y que la pepsina, una enzima digestiva descubierta en 1836 por Theodor Schwann[62] y cristalizada en 1929 por John H. Northrop,[63] fuera un ciclol cerrado C2 de 288 aminoácidos.[64] [65] Con los métodos conocidos en la década de 1930 resultaba altamente complicado e inexacto medir la masa de las proteínas, por lo que no se disponía de suficientes datos experimentales para contrastar sus hipótesis.

Con el mismo modelo, Wrinch también predijo que la estructura de la insulina correspondía a un C2, usando los escasos datos de cristalografía de rayos X disponibles entonces para confirmar su propuesta.[66] [67] [68] [69] [70] [71] Sin embargo, esta interpretación fue muy criticada por prematura.[72] [73] [74] Estudios exhaustivos de los diagramas de Patterson de la insulina realizados por Dorothy Crowfoot Hodgkin mostraron que su estructura se ajustaba con cierta dificultad al modelo del ciclol, pero no eran lo suficientemente concluyentes como para confirmar definitivamente la teoría.[75] [76] [77]

Desestimación

Diagrama de relleno del espacio de la estructura de cicloles de alanina, vista desde la cara sin Cβ emergentes. Se puede observar la simetría de la estructura y su extraordinaria densidad. Por ejemplo, en el espacio libre en el que convergen tres átomos Cβ (en verde) y tres Hα (representados como triángulos blancos), los carbonos e hidrógenos están separados por sólo 1,68 Å, una longitud menor del radio de van der Waals medio del carbono, de 1,70 Å. Las esferas verdes representan los átomos Cβ. Los Cα no son visibles desde esta perspectiva, excepto los pequeños triángulos cercanos a los nitrógenos (representados en azul). Los átomos rojos representan hidroxilos, no carbonilos.

Las estructuras de tipo ciclol se consideraron no plausibles por varias razones. Hans Neurath y Henry Bull demostraron que el denso empaquetado de las cadenas laterales de los cicloles eran inconsistentes con la densidad experimental observada en películas proteínicas.[78] Maurice Huggins calculó que bastantes de los átomos no enlazados de las estructuras de cicloles estaban más cerca de lo que permiten los radios de van der Waals; por ejemplo, el Hα interior y el Cα de los espacios intramoleculares estarían separados por sólo 1,68 Å, una longitud ligeramente menor del radio de van der Waals medio del carbono, de 1,70 Å.[79] Por su parte, Haurowitz demostró químicamente que el exterior de las proteínas no podía albergar un gran número de grupos hidroxilos, una de las claves del modelo del ciclol,[80] mientras que Meyer y Hohenemser demostraron que las condensaciones de tipo ciclol de los aminoácidos simplemente no existían en las proteínas naturales ni siquiera en los estados de transición.[81]

Bergmann y Niemann proporcionaron más argumentos químicos en contra de la hipótesis del ciclol,[82] como hizo también Neuberger.[83] [84] Los datos obtenidos mediante espectroscopía de infrarrojo mostraban que el número de grupos carbonilo presentes en una proteína no cambiaban tras una hidrólisis,[85] y que las proteínas plegadas e intactas contenían grupos amida-carbonilo complementarios;[86] ambas observaciones contradicen la hipótesis del ciclol de que los carbonilos se transforman en hidroxilos en las proteínas plegadas.

Finalmente, se descubrió que las proteínas contienen prolina en cantidades significativas (típicamente un 5%); ya que la prolina no dispone de un átomo de hidrógeno en un grupo amida y el nitrógeno existente forma ya tres enlaces covalentes, es incapaz de actuar según la reacción del ciclol y, por lo tanto, no puede incorporarse a una estructura de cicloles. Todos los argumentos químicos y estructurales en contra de la hipótesis del ciclol fueron resumidos por Pauling y Niemann en 1939.[87] Además, el mismo año se demostró que uno de los datos experimentales fundamentales para confirmar la hipótesis del ciclol, la afirmación de que todas las proteínas contenían un múltiplo entero de 288 aminoácidos,[4] era errónea.[88]

Wrinch respondió a todas estas cuestiones en varios artículos. Respecto a los impedimentos estéricos por excesiva cercanía de los átomos, propuso que pequeñas deformaciones en los ángulos y longitudes de enlace podían aliviar los impedimentos o al menos reducirlos a un nivel razonable.[89] También destacó que las distancias entre dos grupos no enlazados en una misma molécula pueden ser menores de lo esperado según sus radios de van der Waals, como la distancia de 2,93 Å entre los grupos metilo en el hexametilbenceno. Respecto a los niveles de energía, Wrinch se mostró en desacuerdo con los cálculos de Pauling y recordó que se sabía demasiado poco acerca de las energías intramoleculares en macromoléculas como para descartar a priori la hipótesis del ciclol.[89]

Respecto a los argumentos químicos en contra de su hipótesis, propuso que las reacciones bimoleculares simples estudiadas no tenían que corresponder necesariamente con las estructuras de cicloles, pues los impedimentos estéricos podrían haber impedido la reactividad de los grupos hidroxilo.[90]

Respecto al cálculo del número de aminoácidos por proteína, Wrinch amplió su modelo original para permitir otros números enteros de aminoácidos. En particular, introdujo un ciclol cerrado mínimo de sólo 48 residuos,[91] a partir del cual predijo, incorrectamente, que el monómero de insulina tendría un peso molecular de aproximadamente 6.000 uma.[92] [93]

A pesar de todas las críticas, Wrinch mantuvo que la hipótesis del ciclol para proteínas globulares era potencialmente viable[94] [95] e incluso propuso una estructura de cicloles para el citoesqueleto.[96] Sin embargo, la mayoría de los científicos dedicados al estudio de las proteínas dejaron de considerar el modelo como plausible y Wrinch se dedicó a resolver cuestiones matemáticas relacionadas con la cristalografía de rayos X, disciplina en la que consiguió contribuciones notables.[40]

Una excepción fue el médico Gladys Anslow, colega de Wrinch en el Smith College, que estudió los espectros de absorción ultravioleta de numerosos péptidos y proteínas en la década de 1940 considerando el modelo del ciclol como una de las soluciones.[97] [98] Cuando se determinó la secuencia de la insulina por parte de Frederick Sanger, Anslow propuso un modelo tridimensional de cicloles con cadenas laterales,[99] basado en el «ciclol mínimo» descrito por Wrinch en 1948.[91]

Redención parcial

Un azaciclol típico (rojo) en rápido equilibrio con su forma macrocíclica de bilactama (azul). Los grupos amida de la forma de bilactama se intercambian en el ciclol, dando lugar a dos tautómeros con similar estabilidad, proporcionando una constante de equilibrio cercana a 1. Sin embargo, la forma abierta (en negro) es inestable y no ha sido observada.[100]

La desestimación de todo el modelo del ciclol llevó al rechazo de todos sus elementos, excepto la breve aceptación por parte de J. D. Bernal de la hipótesis planteada por Langmuir y Wrinch de que el plegamiento de las proteínas se debía a la interacción hidrofóbica.[101] A pesar de esto, se identificaron enlaces de cicloles naturales en péptidos cíclicos en la década de 1950.[38]

Actualmente, se considera que la reacción clásica del ciclol consiste en la adición de un grupo amina NH procedente de un enlace peptídico que se une a un carbonilo C=O de otro aminoácido. El compuesto resultante se denomina azaciclol. Por analogía, un oxaciclol se forma cuando el OH de un hidroxilo se une al carbonilo y un tiociclol cuando el grupo que se une es un SH.[102]

El oxaciclol alcaloide ergotamina, extraído del hongo Claviceps purpurea fue el primer ciclol natural identificado.[103] La serratamilida, un depsipéptido cíclico, también se forma mediante la reacción del oxociclol.[104] También se han obtenido tiocicloles químicamente análogos,[105] mientras que los clásicos azacicloles han sido observados en pequeñas moléculas[106] y tripéptidos.[107] [108] [109]

Se pueden formar péptidos naturalmente por reversión de los azacicloles,[110] [111] [112] uno de los aspectos clave en la hipótesis del ciclol.

En la actualidad se han identificado cientos de moléculas de tipo ciclol, a pesar del cálculo de Linus Pauling de que esas moléculas no podrían existir por estar termodinámicamente desfavorecidas, al ser de alta energía.[87]

Tras un largo periodo en el que trabajó principalmente en los aspectos matemáticos de la cristalografía de rayos X, en 1957 Wrinch recogió los nuevos descubrimientos sobre cicloles y renovó el modelo teórico propuesto veinte años antes.[113] [114] [115] [116] [117] También publicó dos libros en los que describió de nuevo la hipótesis del ciclol y los pequeños péptidos en general.[118] [40]

Ilustración del método científico

La hipótesis del ciclol para la estructura de las proteínas es un ejemplo de la aplicación del falsacionismo empírico como parte del método científico. Se propone una hipótesis original para explicar observaciones experimentales; se desarrollan las consecuencias de esta hipótesis y sus predicciones son comprobadas en laboratorio. En este caso la hipótesis central era que la forma de ciclol del grupo peptídico estaba favorecida frente a la amida. Esta propuesta conllevó las predicciones acerca de la molécula de ciclol-6 y de la estructura de cicloles, que a su vez sugerían el modelo de poliedros semirregulares para las proteínas globulares. El estudio experimental debía demostrar si los grupos carbonilo de la proteína se transformaban masivamente en hidroxilos. Sin embargo, los datos químicos y espectroscópicos demostraron que la estructura era incorrecta.[40] El modelo del ciclol también predecía una alta densidad lateral de aminoácidos en las proteínas plegadas y en película, que no se observó experimentalmente. Debido a estos factores, la hipótesis fue desestimada y se buscaron alternativas, como la estructura de alfa hélice propuesta en las décadas de 1940 y 1950.[119]

Algunos autores han argumentado que la hipótesis del ciclol nunca debió ser considerada[120] debido a sus defectos de partida, v.gr. los impedimentos estéricos, la imposibilidad de acomodar la prolina y la energía desfavorable de la reacción en sí.[38] Sin embargo, la opinión general es que, si bien estos defectos la hacían poco plausible, no la convertían en imposible. El modelo de cicloles fue la primera estructura bien definida propuesta para proteínas globulares y, cuando se presentó, se conocían demasiados pocos aspectos de las fuerzas intramoleculares y de la estructura de macromoléculas como para descartarla inmediatamente. Era capaz de explicar la mayoría de las propiedades generales de las proteínas y se ajustaba a los datos experimentales, que después se revelaron inexactos. Aunque se demostró incorrecta, algunos elementos de la teoría del ciclol fueron eventualmente verificados, como la propia reacción y el papel de las interacciones hidrofóbicas en el plegamiento de proteínas. Es, en cierto modo,[38] comparable al modelo de Bohr para el átomo de hidrógeno, que desde el principio se sabía inexacto, incluso por parte de su creador,[121] [122] [123] [124] pero aun así ayudó decisivamente al desarrollo de la mecánica cuántica. De forma similar, el modelo para el ADN propuesto por Linus Pauling,[125] que, al igual que el ciclol, resultó erróneo pero actuó como aliciente para el trabajo de otros investigadores.[126] [127] La historia de toda la hipótesis del ciclol es un ejemplo de cómo el conocimiento científico se desarrolla proponiendo hipótesis, comprobándolas y descartando las erróneas.

Curiosamente, el modelo del ciclol es un ejemplo de cómo una teoría científica de gran simetría y belleza, dos cualidades que suelen caracterizar a las teorías científicas «obviamente ciertas», se revela errónea. Por ejemplo, la doble hélice de Watson y Crick como modelo para el ADN[127] es un modelo «obvio» por sus enlaces de hidrógeno y simetría, mientras que otras estructuras mucho menos simétricas están favorecidas en condiciones diferentes.[128] También la teoría de la relatividad general fue considerada una hipótesis tan «elegante» que para Albert Einstein no parecía necesitar verificación experimental, aunque tuvo que revisarse para hacerla consistente con la teoría cuántica de campos.[129] El ejemplo de la hipótesis del ciclol ilustra cómo todas las teorías científicas, incluso las más elegantes, deben ser verificadas empíricamente y nunca ser consideradas ciertas a priori.[130]

Véase también

Referencias

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  129. ↑ Pais, A. (1982). Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press. 
  130. ↑ Rota, Gian-Carlo (1977). «The phenomenology of mathematical beauty». Synthese 111 (2):  pp. 171–182. doi:10.1023/A:1004930722234. 

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