A hipótese do ciclol é o primeiro modelo estrutural, hoje desacreditado, de uma proteína globular enrolada, formulado na década de 1930. Baseava-se na reação de ciclol das ligações peptídicas proposta pelo físico Charles Frank em 1936, na qual dois grupos peptídicos são quimicamente reticulados. Estas reticulações são análogos covalentes das pontes de hidrogénio não covalentes entre grupos peptídicos e foram observadas em casos raros, como nos ergopéptidos.
Com base nesta reação, a matemática Dorothy Wrinch formulou, numa série de cinco artigos no final da década de 1930, um modelo estrutural para as proteínas globulares. Postulou que, sob certas condições, os aminoácidos formariam espontaneamente o número máximo possível de reticulações de ciclol, originando moléculas de ciclol e tecidos de ciclol. Propôs ainda que as proteínas globulares têm uma estrutura terciária correspondente a sólidos platónicos e poliedros semirregulares formados por tecidos de ciclol sem arestas livres. Ao contrário da própria reação de ciclol, estas moléculas, tecidos e poliedros hipotéticos nunca foram observados experimentalmente. O modelo tem várias consequências que o tornam energeticamente implausível, tais como impedimentos estéricos entre as cadeias laterais das proteínas. Em resposta a estas críticas, J. D. Bernal propôs que as interações hidrofóbicas são as principais responsáveis pelo enrolamento das proteínas, o que foi de facto confirmado.
Contexto histórico Em meados da década de 1930, estudos de ultracentrifugação analítica realizados por Theodor Svedberg haviam demonstrado que as proteínas possuíam uma estrutura química bem definida, não sendo agregações de moléculas pequenas. Os mesmos estudos pareciam mostrar que o peso molecular das proteínas se enquadrava em poucas classes bem definidas relacionadas por números inteiros, como $$M_w = 2^p 3^q$$ Da, onde $$p$$ e $$q$$ são números inteiros não negativos. No entanto, era difícil determinar o peso molecular exato e o número de aminoácidos de uma proteína. Svedberg também demonstrara que uma alteração nas condições da solução podia fazer com que uma proteína se desagregasse em subunidades pequenas, atualmente designada como alteração na estrutura quaternária.
A estrutura química das proteínas ainda era debatida naquela época. A hipótese mais aceite (e, em última análise, correta) era a de que as proteínas são polipeptídeos lineares, ou seja, polímeros não ramificados de aminoácidos ligados por ligações peptídicas. No entanto, uma proteína típica é notavelmente longa — centenas de resíduos de aminoácidos — e vários cientistas de renome não tinham a certeza de que macromoléculas lineares tão longas pudessem ser estáveis em solução. Dúvidas adicionais sobre a natureza polipeptídica das proteínas surgiram porque algumas enzimas clivavam proteínas mas não péptidos, enquanto outras clivavam péptidos mas não proteínas enroladas. As tentativas de sintetizar proteínas em tubo de ensaio foram infrutíferas, principalmente devido à quiralidade dos aminoácidos; as proteínas naturais são compostas apenas por aminoácidos levógiros. Assim, foram considerados modelos químicos alternativos para as proteínas, como a hipótese da dicetopiperazina de Emil Abderhalden. No entanto, nenhum modelo alternativo explicava ainda por que razão as proteínas produzem apenas aminoácidos e péptidos após hidrólise e proteólise. Como esclarecido por Linderstrøm-Lang, estes dados de proteólise mostravam que as proteínas desnaturadas eram polipéptidos, mas ainda não existiam dados sobre a estrutura das proteínas enroladas; assim, a desnaturação poderia envolver uma alteração química que convertia as proteínas enroladas em polipéptidos.
O processo de desnaturação das proteínas (distinto da coagulação) foi descoberto em 1910 por Harriette Chick e Charles Martin, mas a sua natureza ainda era misteriosa. Tim Anson e Alfred Mirsky haviam demonstrado que a desnaturação era um processo reversível de dois estados que resultava na disponibilidade de muitos grupos químicos para reações químicas, incluindo a clivagem por enzimas. Em 1929, Hsien Wu formulou a hipótese correta de que a desnaturação correspondia ao desenrolamento da proteína, uma alteração puramente conformacional que resultava na exposição das cadeias laterais dos aminoácidos ao solvente. Relatórios preliminares foram apresentados no XIII Congresso Internacional de Fisiologia em Boston (19–24 de agosto de 1929) e na edição de outubro de 1929 do American Journal of Physiology. A hipótese de Wu foi também avançada independentemente em 1936 por Mirsky e Linus Pauling. No entanto, os cientistas das proteínas não podiam excluir a possibilidade de que a desnaturação correspondesse a uma alteração química na estrutura da proteína, uma hipótese que foi considerada uma possibilidade (distante) até à década de 1950.
A cristalografia de raios X começara como disciplina em 1911 e progredira relativamente depressa, de cristais de sais simples para cristais de moléculas complexas como o colesterol. No entanto, mesmo as proteínas mais pequenas têm mais de 1000 átomos, o que torna a determinação das suas estruturas muito mais complexa. Em 1934, Dorothy Crowfoot Hodgkin recolhera dados cristalográficos sobre a estrutura da pequena proteína insulina, embora a estrutura desta e de outras proteínas só tenha sido resolvida no final da década de 1960.; ; ; No entanto, dados pioneiros de difração de raios X em fibras haviam sido recolhidos no início da década de 1930 para muitas proteínas fibrosas naturais, como a lã e o cabelo, por William Astbury, que sugeriu que «as proteínas globulares poderiam, em geral, estar enroladas a partir de elementos essencialmente semelhantes aos elementos das proteínas fibrosas».Charles Tanford & Jacqueline Reynolds (2001) Nature's Robots: a history of proteins, páginas 80 a 83, Oxford University Press
Uma vez que a estrutura das proteínas era tão mal compreendida na década de 1930, as interações físicas responsáveis por estabilizar essa estrutura eram igualmente desconhecidas. Astbury formulou a hipótese de que a estrutura das proteínas fibrosas era estabilizada por pontes de hidrogénio em folhas β. A ideia de que as proteínas globulares também são estabilizadas por pontes de hidrogénio foi proposta por Dorothy Jordan Lloyd em 1932, e defendida mais tarde por Alfred Mirsky e Linus Pauling. Numa palestra de Astbury em 1933 na Oxford Junior Scientific Society, o físico Charles Frank sugeriu que a α-queratina das proteínas fibrosas poderia ser estabilizada por um mecanismo alternativo, nomeadamente, a reticulação covalente das ligações peptídicas pela reação de ciclol acima referida. A reticulação de ciclol aproxima os dois grupos peptídicos; os átomos N e C estão separados por ~1,5 Å, enquanto que estão separados por ~3 Å numa ponte de hidrogénio típica. A ideia intrigou J. D. Bernal, que a sugeriu à matemática Dorothy Wrinch como possivelmente útil para compreender a estrutura das proteínas.
Teoria básica
Wrinch desenvolveu esta sugestão até a transformar num modelo completo da estrutura das proteínas. O modelo básico de ciclol foi apresentado no seu primeiro artigo (1936). Ela notou a possibilidade de os polipeptídeos poderem ciclizar para formar anéis fechados (verdadeiro) e que estes anéis poderiam formar reticulações internas através da reação de ciclol (também verdadeiro, embora raro). Assumindo que a forma ciclol da ligação peptídica poderia ser mais estável do que a forma amida, Wrinch concluiu que certos péptidos cíclicos formariam naturalmente o número máximo de ligações de ciclol (como o ciclol 6, Figura 2). Tais moléculas de ciclol teriam simetria hexagonal, se as ligações químicas fossem consideradas como tendo o mesmo comprimento, aproximadamente 1,5 Å; para efeitos de comparação, as ligações N-C e C-C têm comprimentos de 1,42 Å e 1,54 Å, respetivamente.
Estes anéis podem ser estendidos indefinidamente para formar um tecido de ciclol (Figura 3). Tais tecidos exibem uma ordem de longo alcance, quase cristalina, que Wrinch considerava provável nas proteínas, uma vez que estas têm de empacotar centenas de resíduos densamente. Outra característica interessante destas moléculas e tecidos é que as suas cadeias laterais de aminoácidos apontam axialmente para cima a partir de apenas uma face; a face oposta não tem cadeias laterais. Assim, uma face é completamente independente da sequência primária do péptido, o que Wrinch conjecturou poder explicar as propriedades das proteínas independentes da sequência.
No seu artigo inicial, Wrinch afirmou claramente que o modelo de ciclol era meramente uma hipótese de trabalho, um modelo potencialmente válido das proteínas que teria de ser verificado. Os seus objetivos neste artigo e nos seguintes eram propor um modelo testável bem definido, explorar as consequências dos seus pressupostos e fazer previsões que pudessem ser testadas experimentalmente. Nestes objetivos, ela teve sucesso; no entanto, poucos anos depois, as experiências e a modelação adicional mostraram que a hipótese do ciclol era insustentável como modelo para as proteínas globulares.
Energias de estabilização
Em duas cartas ao editor publicadas em tandem (1936), Wrinch e Frank abordaram a questão de saber se a forma ciclol do grupo peptídico era de facto mais estável do que a forma amida. Um cálculo relativamente simples mostrou que a forma ciclol é significativamente menos estável do que a forma amida. Portanto, o modelo de ciclol teria de ser abandonado, a menos que se identificasse uma fonte compensadora de energia. Inicialmente, Frank propôs que a forma ciclol poderia ser estabilizada por melhores interações com o solvente circundante; mais tarde, Wrinch e Irving Langmuir formularam a hipótese de que a associação hidrofóbica de cadeias laterais apolares fornece energia de estabilização para superar o custo energético das reações de ciclol.
A labilidade da ligação de ciclol foi vista como uma vantagem do modelo, uma vez que fornecia uma explicação natural para as propriedades da desnaturação; a reversão das ligações de ciclol para a sua forma amida mais estável abriria a estrutura e permitiria que essas ligações fossem atacadas por proteases, o que era consistente com a experiência. Estudos iniciais mostraram que as proteínas desnaturadas por pressão estão frequentemente num estado diferente das mesmas proteínas desnaturadas por alta temperatura, o que foi interpretado como possivelmente apoiando o modelo de ciclol da desnaturação.
A hipótese de Langmuir-Wrinch sobre a estabilização hidrofóbica partilhou da queda do modelo de ciclol, devido principalmente à influência de Linus Pauling, que favorecia a hipótese de que a estrutura das proteínas era estabilizada por pontes de hidrogénio. Foram necessários mais vinte anos para que as interações hidrofóbicas fossem reconhecidas como a principal força motriz no enrolamento das proteínas.
Complementaridade estérica No seu terceiro artigo sobre ciclóis (1936), Wrinch observou que muitas substâncias «fisiologicamente ativas», como os esteroides, são compostas por anéis hexagonais fundidos de átomos de carbono e, portanto, poderiam ser estericamente complementares à face das moléculas de ciclol sem as cadeias laterais de aminoácidos. Wrinch propôs que a complementaridade estérica era um dos principais fatores na determinação de se uma molécula pequena se ligaria a uma proteína.
Wrinch especulou que as proteínas são responsáveis pela síntese de todas as moléculas biológicas. Observando que as células digerem as suas proteínas apenas em condições extremas de fome, Wrinch especulou ainda que a vida não poderia existir sem proteínas.
Modelos híbridos