G. N. Ramachandran, de Madras, propuso en 1954 la triple hélice del colágeno y fue coautor del gráfico de 1963 que los cristalógrafos siguen usando para comprobar estructuras de proteínas

El 7 de agosto de 1954 la revista Nature publicó una carta de dos páginas del departamento de física de la Universidad de Madras. G. N. Ramachandran y Gopinath Kartha proponían que el colágeno, que constituye cerca de una cuarta parte de toda la proteína de la mayoría de los animales, está formado por tres cadenas helicoidales empaquetadas lado a lado. Nueve años después, en julio de 1963, Ramachandran, C. Ramakrishnan y V. Sasisekharan publicaron un gráfico de los ángulos de la cadena principal que puede adoptar una cadena de proteína sin que sus átomos choquen. Hoy se llama diagrama de Ramachandran, y los cristalógrafos lo siguen usando para comprobar las estructuras de proteínas que resuelven.

Ambos trabajos se hicieron en Madras (hoy Chennai). El diagrama se calculó entre 1960 y 1962 con una calculadora eléctrica de mesa, porque el laboratorio no tenía computadora.

Un físico de Ernakulam con doctorado en Cambridge

Gopalasamudram Narayana Ramachandran nació en Ernakulam el 8 de octubre de 1922. Tras una licenciatura con honores en física, ingresó en el Instituto Indio de Ciencias de Bangalore para trabajar con C. V. Raman, según la necrológica de N. Yathindra en Acta Crystallographica. Su maestría por investigación versó sobre la óptica de materiales mixtos, y su DSc procede de la Universidad de Madras. Yathindra lo señala además como el primero en registrar topografías de rayos X, un modo de estudiar rasgos de la superficie de los cristales.

De 1947 a 1949 estuvo en el Laboratorio Cavendish de Cambridge, entonces dirigido por Lawrence Bragg, con una beca de la Exposición de 1851. Su doctorado allí, bajo W. A. Wooster, trató de cómo se dispersan de forma difusa los rayos X en los cristales y de lo que eso dice de sus constantes elásticas. En 1952, tras un breve periodo como profesor ayudante en Bangalore, fue catedrático y jefe de física en Madras. Yathindra escribe que fue allí donde orientó su atención al uso de la difracción de rayos X en moléculas biológicas.

Colágeno de una raya, una rata y un canguro

Manju Bansal, su última estudiante de doctorado, escribe en Resonance que el grupo de Ramachandran empezó a registrar imágenes de rayos X de fibras de colágeno en 1952, por sugerencia del cristalógrafo J. D. Bernal durante una visita a Madras. La carta de 1954 nombra las fuentes: una raya, el tendón de la cola de una rata y el tendón de la cola de un canguro. M. Vijayan, que escribe para la Unión Internacional de Cristalografía, añade que la muestra original de colágeno procedía del Instituto Central de Investigación del Cuero, que estaba junto al laboratorio.

Los modelos anteriores de William Astbury y de Linus Pauling y Robert Corey no habían coincidido con el patrón de rayos X, señala Bansal. El colágeno era además incómodo desde el punto de vista químico. Cerca de un tercio de sus aminoácidos son glicina, el más pequeño, y lleva mucha prolina e hidroxiprolina, anillos que limitan cómo puede doblarse una cadena.

Tres cadenas y glicina cada tres posiciones

Bansal cita la propia descripción de la carta de 1954: el modelo «consta de nueve residuos de aminoácido por celda unidad», dispuestos en tres cadenas helicoidales, cada una con un paso de 9,5 angstroms y tres residuos por vuelta. Las cadenas se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno. Cada enlace peptídico está en la forma «trans», y de los tres átomos de carbono de cada vuelta, uno no tiene espacio alguno para un grupo lateral, de modo que solo puede pertenecer a la glicina.

Ese último punto unió la estructura con la química. Bansal llama a Ramachandran el primero en ver que la proporción inusualmente alta de glicina, prolina e hidroxiprolina en el colágeno debía tener una razón estructural. Hacia 2001, señala Bansal, se habían vinculado a enfermedades humanas más de 400 mutaciones en distintos colágenos, y la inmensa mayoría sustituyen una glicina, que es lo que un modelo con glicina en el centro de la triple cadena predice que perturbaría la estructura.

En 1955 el grupo revisó el modelo. Las fibras estiradas dieron un patrón que apuntaba a diez residuos en tres vueltas, de modo que Ramachandran y Kartha, en Nature el 24 de septiembre de 1955, enrollaron las tres cadenas alrededor de un eje común en una espiral enrollada como una cuerda. Bansal escribe que Ramachandran dijo a un auditorio, en una conferencia, que la idea venía de la Luna, que gira sobre su eje mientras da vueltas a la Tierra y por eso muestra siempre la misma cara.

La discusión con Rich y Crick

El 12 de noviembre de 1955 Alexander Rich y Francis Crick publicaron en Nature su propio artículo sobre el colágeno. Objetaron un rasgo del modelo de Madras: tenía dos enlaces de hidrógeno entre cadenas por cada tres residuos, y los átomos quedaban más cerca de lo que Rich y Crick creían posible. Srinivasan y sus colegas, en la necrológica de Ramakrishnan en Protein Science, citan el propio recuerdo de Rich de que, por los malos contactos, «la estructura era errónea». Rich y Crick, y por separado Cowan, McGavin y North, propusieron una versión con un enlace de hidrógeno por cada tres residuos.

Ramachandran aceptó el reparo sobre el segundo enlace. Más tarde sugirió, con R. Chandrasekharan, que enlaces adicionales podían unir las cadenas a través de moléculas de agua, y Barbara Brodsky escribió en 1999 que las estructuras cristalinas de alta resolución de péptidos parecidos al colágeno han mostrado desde entonces tales enlaces mediados por agua. Shoulders y Raines, en el Annual Review of Biochemistry, dicen que en 1955 Rich y Crick refinaron la estructura hasta la forma aceptada hoy, con un único enlace de hidrógeno entre cadenas por triplete y una repetición de diez residuos en tres vueltas. La revisión de Bansal de 2006 en el National Medical Journal of India pone el acento de otro modo, y dice que el trabajo reciente ha confirmado que la triple hélice de Ramachandran y Kartha es esencialmente correcta salvo en detalles de los enlaces de hidrógeno. Brodsky añade que Rich y Crick, y un grupo distinto del King’s College de Londres, propusieron estructuras de triple hélice afines de forma independiente en 1955. La comunidad científica de Occidente llamó a la estructura «triple hélice de Madras», escribe Bansal.

Cómo una disputa sobre contactos cercanos produjo el diagrama

La crítica tuvo un segundo resultado. Srinivasan y sus colegas, a partir del propio relato de Ramakrishnan, dicen que la objeción de Cambridge llevó a Ramachandran de vuelta a las distancias a las que los átomos se sitúan realmente en los cristales. V. Sasisekharan, entonces un joven profesor, y Ramakrishnan, entonces estudiante de posgrado, se ocuparon de ello. Su primer intento usó el tamaño de manual de cada átomo como la aproximación mínima permitida, y el mapa resultante no tenía ninguna combinación de ángulos permitida. Las estructuras cristalinas de moléculas pequeñas mostraron que los átomos reales se acercan más que eso: para el carbono y el nitrógeno, los radios de manual suman 3,25 angstroms, pero la menor distancia observada en cristales de moléculas pequeñas suele ser de 2,9. La necrológica de Protein Science añade que las distancias que suponían Rich y Crick habrían descartado incluso la hélice alfa de Pauling.

El cálculo se planteó para dos unidades peptídicas, los eslabones planos de la cadena principal de una proteína, unidas en un átomo de carbono. Dos ángulos, llamados phi y psi, describen el giro en cada articulación. El artículo de Ramakrishnan en Resonance dice que cada par de valores de menos 180 a 180 grados, a intervalos fijos, se probó y se clasificó como totalmente permitido, parcialmente permitido o no permitido, entre 1960 y 1962. Srinivasan y sus colegas añaden que Ramakrishnan solo tenía una calculadora Marchant, que hace las cuatro operaciones básicas, y tablas trigonométricas impresas, y que, según su propio relato, el trabajo le llevó un año completo de esfuerzo diario.

El artículo, «Stereochemistry of polypeptide chain configurations», apareció en el Journal of Molecular Biology, volumen 7, páginas 95 a 99, en julio de 1963, con Ramachandran, Ramakrishnan y Sasisekharan como autores. Srinivasan y sus colegas escriben que el gráfico mostraba que solo cerca del 30 por ciento de las combinaciones de phi y psi eran estereoquímicamente accesibles. El mapa recibió por primera vez ese nombre, añaden, en el libro de texto The Structure and Action of Proteins, de Dickerson y Geis.

Una predicción que las estructuras de proteínas confirmaron después

Cuando se publicó el diagrama, escribe Ramakrishnan en Resonance, no se había resuelto ni una sola estructura de proteína, aunque los ángulos de la hélice alfa y de la lámina beta, propuestos para proteínas fibrosas, ya caían en las regiones permitidas. El informe de Vijayan para la IUCr dice que solo se conocía la estructura de una proteína globular. En cualquier caso, el diagrama esperó a que llegaran las estructuras. Hacia 2001, señala Ramakrishnan, se conocían más de 15.000 y el diagrama servía de control durante y después de cada resolución. Esa cifra incluye estructuras resueltas por cristalografía de rayos X, el método que está detrás de las estructuras del ribosoma de Venkatraman Ramakrishnan.

Srinivasan y sus colegas citan a George Rose, Janet Thornton y sus colaboradores sobre por qué esto es inusual: es uno de los poquísimos casos de la biología en que una discrepancia entre teoría y experimento se usa como control de calidad del resultado experimental. Los mismos ángulos sirven para leer la forma de una proteína, ya que las hélices y las hebras se agrupan cada una en su propia parte del gráfico. El grupo de Ramachandran aplicó también la idea a los ácidos nucleicos y a los polisacáridos, como registran tanto la necrológica de Yathindra como Resonance.

Reconocimiento

Ramachandran fue elegido miembro de la Royal Society en 1977. En 1999 la Unión Internacional de Cristalografía le concedió su quinto Premio Ewald, por su trabajo sobre la dispersión anómala, sobre estructuras fibrosas como el colágeno y, en sus palabras, «sobre todo» por el trabajo sobre la conformación macromolecular y el diagrama, «que aún hoy sigue siendo la herramienta de validación más útil». M. Vijayan recibió la medalla en su nombre en el congreso de Glasgow. Ramachandran murió en Chennai el 7 de abril de 2001, a los 78 años.

El 7 de agosto de 2004, 50 años después de la carta sobre el colágeno, un simposio en Nueva Delhi conmemoró el aniversario, con el apoyo del Consejo de Investigación Científica e Industrial y del Departamento de Ciencia y Tecnología, y con la participación del presidente de la India, Abdul Kalam. El informe de Vijayan sobre el acto llama a Ramachandran «posiblemente el científico más destacado que ha trabajado en la India independiente».