350px|miniatura|Multímero. Esta proteína es un multímero formado por tres cadenas polipeptídicas (subunidades proteicas), por lo tanto se trata de un trímero.
Un multímero es una proteína formada por varias subunidades proteicas, denominada oligómero cuando estas subunidades son pocas.David L. Nelson, Michael M. Cox, Claudi M.Cuchillo; Lehninger - Principios de Bioquímica; cuarta edición(2005); editorial Omega; ISBN 84-282-1410-7
De esta forma, un multímero es el nombre dado a una proteína que presenta estructura cuaternaria.
Términos relacionados con los multímeros
Muchas proteínas, especialmente aquellas con pesos moleculares elevados, presentan estructura cuaternaria, esto significa que están formadas por varias cadenas polipeptídicas (desde dos a centenares de ellas). Cada una de estas cadenas se denomina subunidad, y la unión de varias subunidades es lo que hemos llamado multímero, o proteína multisubunidad.Trudy McKee, James R. McKee; Bioquímica - La base molecular de la vida; tercera edición (2003); editorial McGraw Hill; ISBN 84-486-0524-1Werner MÜller-Esterl; Bioquímica - Fundamentos para Medicina y Ciencias de la Vida; primera edición (2008); editorial Reverté; ISBN 978-84-291-7393-2
En un complejo proteico estas subunidades pueden ser idénticas o bastante diferentes. Las proteínas con pocas subunidades se denominan oligómeros. Los oligómeros están formados por protómeros (unidades de repetición estructural en proteínas multiméricas que pueden estar formadas por una o varias subunidades). Un gran número de proteínas oligoméricas contienen dos o cuatro subunidades protoméricas, denominadas dímeros y tetrámetros respectivamente.
Funciones de los multímeros
La asociación de subunidades proteicas puede servir para una gran diversidad de funciones.Christopher K. Mathews, K. E. van Holde,Kevin G. Ahern; Bioquímica, tercera edición (2002); editorial Addison Wesley; ISBN 84-7829-053-2
Reguladora
Muchos multímeros tienen funciones reguladoras; la unión de pequeñas moléculas puede alterar la interacción entre subunidades produciendo grandes cambios en la actividad de la proteína en respuesta a pequeños cambios en la concentración de sustrato o moléculas reguladoras. Las proteínas reguladoras impiden que se lleven a cabo reacciones metabólicas, por ejemplo, cuando estas no sean necesarias (por ejemplo, no se sintetizarán ácidos grasos a partir de glucosa cuando la célula requiera mucho aporte energético. Todo esto está regulado por los moduladores o proteínas reguladoras, muchas son multímeros).
Mixta
En otros casos, las diferentes subunidades de un mismo multímero pueden llevar a cabo funciones separadas aunque relacionadas, tales como la catálisis y la regulación. Esto resulta de gran utilidad para la célula, ya que se suprime la necesidad de tener dos proteínas (una para la regulación y otra para la catálisis) juntando todo el proceso en una única proteína multimérica. Así esta proteína podrá autorregular la reacción que catalice, ahorrando espacio y aumentando la eficiencia celular.
Estructural
Algunas asociaciones, como por ejemplo las proteínas fibrosas (colágeno) y las proteínas de cubierta de los virus, llamadas cápsides, tienen principalmente una función estructural, por tanto mantienen la conformación de la célula, y en el caso de los virus protegen la información genética del exterior.
Cadena de reacciones
Algunas estructuras proteicas son el sitio donde tienen lugar reacciones complejas con diversos pasos. Por ejemplo, cada uno de los ribosomas, lugar donde se produce la síntesis de proteínas, incorpora docenas de subunidades de proteínas junto con varias moléculas de RNA. Cada una de estas subunidades proteicas tiene una función específica en el proceso de la síntesis de proteínas: unión al mRNA, fijación de los tRNA, catalizador de la reacción de condensación para la formación del enlace peptídico entre aminoácidos, etc.
Razones para la existencia de proteínas multiméricas (multímeros)
La síntesis de subunidades aisladas es más eficaz que aumentar sustancialmente la longitud de una única cadena polipeptídica. En los complejos supramoleculares, como las fibras de colágeno, la sustitución de componentes más pequeños gastados o dañados puede realizarse de manera más eficaz. Las interacciones complejas de varias subunidades sirven para regular la función biológica de una proteína (Se obtiene, de esta manera,una autorregulación de las proteínas que catalizan reacciones metabólicas, por ejemplo).
El multímero más conocido: la hemoglobina derecha|Hemoglobina: formada por cuatro subunidades proteicas y cuatro grupos prostéticos hemo, en los que se encuentran los átomos de hierro.
La hemoglobina fue la primera proteína oligomérica de la que se determinó la estructura tridimensional. Está formada por cuatro cadenas polipeptídicas y cuatro grupos prostéticos hemo, en los que los átomos de hierro se encuentran en el estado ferroso (Fe2+). La parte proteica, la globina, está constituida por dos cadenas α (de 141 residuos cada una) y dos cadenas β (de 146 residuos cada una). Las letras griegas α y β no se refieren a estructuras secundarias.
En la derecha de la pantalla se puede apreciar la proteína hemoglobina con sus cuatro subunidades, y un átomo de hierro (Fe) en el interior de cada subunidad. Se trata de una molécula de vital importancia ya que es la responsable del abastecimiento de oxígeno a las células del cuerpo.
La hemoglobina se concentra en los hematíes o glóbulos rojos, que son células sanguíneas compuestas por millones de hemoglobinas, y que, por tanto, permiten fijar millones y millones de moléculas de oxígeno provenientes de los pulmones para abastecer las necesidades energéticas de las células del cuerpo.
Organización de las subunidades proteicas
Es importante destacar que las subunidades de los multímeros presentan generalmente (aunque no siempre) distintas organizaciones en formas específicas (patrones de simetría), dando lugar a simetría proteica.
Por ejemplo, las subunidades de hemoglobina están dispuestas en pares simétricos, con una subunidad α y una subunidad β cada uno.David L. Nelson, Michael M. Cox, Claudi M.Cuchillo; Lehninger - Principios de Bioquímica; cuarta edición (2005); editorial Omega; ISBN 84-282-1410-7
Tipos de multímeros
Existen dos tipos de multímeros: Aquellos que presentan asociación entre cadenas polipeptídicas idénticas o casi idénticas (homotípicos) y aquellos que presentan interacciones entre subunidades con estructuras muy distintas (heterotípicos).
Multímeros homotípicos miniatura|400px|Multímero homotípico formado por dos subunidades proteicas idénticas (por tanto, un homodímero) que presenta simetría proteica cíclica. Estos son aquellos cuyas subunidades son idénticas o casi idénticas.
Las subunidades de estos multímeros se mantienen unidas mediante los mismos enlaces que estabilizan la estructura terciaria y que se describirán más adelante: puentes salinos, enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, interacciones hidrófobas y a veces enlaces covalentes disulfuro.
Cada subunidad es una unidad asimétrica en el agregado, pero la estructura cuaternaria global de la proteína puede ofrecer una amplia variedad de simetría proteica en función de la geometría de las interacciones.
Un ejemplo de multímero homotípico sería la hemoglobina, que se ha descrito anteriormente.
Cabe destacar que los multímeros homotípicos con únicamente dos subunidades se denominan homodímeros. En la imagen de la derecha podemos apreciar un multímero formado por dos subunidades iguales, por tanto un homodímero).
Multímeros heterotípicos miniatura|400px|Proteína interleukina. Se trata de un multímero heterotípico formado por dos subunidades proteicas distintas (por tanto un heterodímero). No presenta simetría proteica.
Estos son los que tienen varias subunidades con formas diferentes. En ocasiones, pueden tener una docena o más subunidades distintas.
Las interacciones que mantienen unidas estas subunidades son del mismo tipo que las descritas para los multímeros homotípicos: fuerzas no covalentes (excepto enlaces covalentes disulfuro) en las superficies proteicas complementarias.
Un ejemplo sencillo de multímero heterotípico es el de la proteína BPTI, el inhibidor de la tripsina pancreática bovina. Recibe este nombre porque se une al centro activo de la enzima tripsina formando un complejo fuerte y específico, inhibiendo de este modo la actividad proteolítica de la tripsina en el páncreas. Esta unión es un ejemplo de multímero heterotípico ya que el complejo BPTI-tripsina está formado por dos subunidades unidas fuertemente pero muy distintas estructuralmente.
Hay que tener en cuenta que los multímeros heterotípicos, que tienen sólo dos subunidades diferentes, se denominan heterodímeros. En la imagen de la derecha podemos apreciar un multímero formado por dos subunidades de diferente estructura tridimensional (subunidades distintas), por tanto un heterodímero).
Ensamblaje (unión) de las subunidades de los multímeros
Las subunidades polipeptídicas se ensamblan y se mantienen unidas por interacciones no covalentes, como:
el efecto hidrófobo
Como con el plegamiento proteico, el efecto hidrófobo es claramente el más importante, ya que las superficies de unión complementarias entre las subunidades son semejantes a las observadas en el interior de los dominios de las proteínas globulares.
las interacciones electrostáticas los enlaces de hidrógeno encruzamientos covalentes
Aunque son menos numerosos, los encruzamientos covalentes estabilizan significativamente determinadas proteínas con varias subunidades.
Entre los ejemplos más destacados se encuentran los puentes disulfuro de las inmunoglobulinas y los enlaces de desmosina y lisinorleucina en determinadas proteínas del tejido conjuntivo.
Los encruzamientos de desmosina conectan cuatro cadenas polipeptídicas en la proteína elastina del tejido conjuntivo, semejante a la goma. Se forman como consecuencia de diversas reacciones que implican la oxidación de las cadenas laterales de lisina.
Se produce un proceso semejante en la formación de lisinonorleucina, una estructura encruzada que se encuentra en la elastina y el colágeno.
Con mucha frecuencia, las interacciones entre las subunidades están afectadas por la unión de ligandos. En el alosterismo, el control de la función proteica mediante la unión de ligandos, la unión de un ligando a un lugar específico en una proteína, desencadena un cambio conformacional que altera su afinidad por otros ligandos. Los cambios conformacionales inducidos por el ligando en esas proteínas se denominan transiciones alostéricas, y los ligandos que las desencadenan efectores o moduladores.
Los efectos alostéricos pueden ser positivos o negativos, dependiendo de si la unión del modulador aumenta o disminuye la afinidad de la proteína por otros ligandos.
Uno de los ejemplos de efecto alostérico mejor conocido es la unión reversible del O2 y otros ligandos a la hemoglobina. (Las enzimas alostéricas desempeñan un papel clave en el control de los procesos metabólicos).
Dinámica de las proteínas
A pesar del énfasis dado hasta ahora a las fuerzas que estabilizan la estructura proteica, debe reconocerse que la función proteica requiere cierto grado de flexibilidad. El significado de la flexibilidad conformacional (fluctuaciones continuas, rápidas de la orientación precisa de los átomos en las proteínas) se ha descubierto al investigarse las interacciones proteína-ligando.