thumb|350px|right|Reacción del ciclol clásica. Dos grupos peptídicos se unen por enlace N-C', convirtiendo el oxígeno carbonílico en un 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. thumb|right|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. 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.
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. Los mismos estudios aparentemente mostraban que el peso molecular de las proteínas podían clasificarse en unos grupos bien definidos por números enteros, como Pmolecular = 2p3q uma, donde p y q eran enteros y positivos. 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.
En aquella época todavía se discutía acerca de la estructura química de las proteínas. 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. 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. 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. 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. Sin embargo, ningún modelo alternativo fue capaz de explicar por qué las proteínas liberaban solo aminoácidos y péptidos por hidrólisis y proteólisis. Como clarificó Linderstrøm-Lang, 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, pero su naturaleza exacta seguía siendo un misterio. Tim Anson y Alfred Mirsky demostraron que la desnaturalización era un «proceso reversible en dos fases» que daba como resultado que muchos grupos funcionales anteriormente plegados estuvieran disponibles para reaccionar, incluyendo la posibilidad de que una enzima cortase la cadena. 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. Preliminary reports were presented before the XIIIth International Congress of Physiology at Boston (19–24 August 1929) and in the October 1929 issue of the American Journal of Physiology. La hipótesis de Wu fue también propuesta independientemente en 1936 por Mirsky y Linus Pauling. No obstante, los científicos no podían todavía excluir la posibilidad de que la desnaturalización fuera un cambio «químico» en la estructura de la proteína, una hipótesis que fue considerada verosímil, aunque remota, hasta los años 1950. thumb|left|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 y Nature, 78, 271, 293–294, 665 (1908). y había avanzado rápidamente desde el estudio de cristales de sales sencillas a moléculas más complejas, como el colesterol. 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 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. 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, que propuso algunos modelos rudimentarios para la estructura secundaria, como la presencia de hélices alfa y beta-láminas.
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. La idea de que las proteínas globulares también se estabilizaban por puntes de hidrógeno fue propuesta por Dorothy Jordan Lloyd en 1932, y defendida posteriormente por Mirsky y Pauling. En una conferencia de Astbury en 1933 a la Oxford Junior Scientific Society, el físico Frederick Frank sugirió que la alfa-queratina, una escleroproteína, podría estabilizarse gracias a un mecanismo alternativo, la interacción covalente entre los enlaces peptídicos según la reacción del ciclol. 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.
Teoría thumb|right|300px|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 solo 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. 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.
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. Además, sus cadenas laterales apuntan axialmente hacia arriba solo 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.
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. Sin embargo, los experimentos realizados en los años siguientes demostraron que la hipótesis del ciclol no era válida para las proteínas globulares.
Energía de estabilización En dos cartas conjuntas al director (1936), 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:
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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 %.
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