- història
- Mecanismes d'acció i exemples
- -Característiques dels models MWC i KNF de la regulació al·lostèrica
- model MWC
- model KNF
- El model MWC i els enzims al·lostèrics (o enzims reguladores alostéricas)
- ATCasa de
- PFK-1
- El model MWC és comú, però no universal
- Estudis de l'estructura de la glucoquinasa han donat suport al model mnemònic
- Aplicacions de l'Al·losterisme
- referències
Una enzim al·lostèric (de el grec: allo, diferent + stereos, espai tridimensional) és una proteïna en la qual es produeixen interaccions indirectes entre llocs topogràficament diferents, per la unió de substrats i molècules reguladores (lligands).
La unió d'un lligant a un lloc específic està influenciada per la unió d'un altre lligant efector (o lligant modulador) a un altre lloc diferent (alostérico) de l'enzim. Això es coneix com interaccions alostéricas, o interaccions cooperatives.
Exemple d'un enzim. Font: Thomas Shafee
Quan el lligant efector augmenta l'afinitat d'unió d'un altre lligant a l'enzim, la cooperativitat és positiva. Quan disminueix l'afinitat la cooperativitat és negativa. Si en la interacció cooperativa participen dos lligands iguals, l'efecte és homotrópico, i si els dos lligands són diferents, l'efecte és heterotrópico.
La interacció cooperativa produeix canvis reversibles de l'estructura molecular de l'enzim, a nivell de l'estructura terciària i quaternària. Aquests canvis es coneixen com a canvis conformacionals.
història
El concepte d'interacció al·lostèrica va sorgir fa més de 50 anys. Ha evolucionat a través del temps, a saber:
-En 1903, es va observar la corba sigmoïdal d'unió de l'hemoglobina a l'oxigen.
-En 1910, la corba sigmoïdal d'unió d'O 2 a l'hemoglobina va ser descrita matemàticament mitjançant l'equació de Hill.
-En 1954, Novick i Szilard van demostrar que un enzim situada a l'inici d'una via metabòlica era inhibida pel producte final d'aquesta via, la qual cosa es coneix com a retroalimentació negativa.
-En 1956, Umbarger va descobrir que la L-treonina desaminasa, el primer enzim de la via de biosíntesi de la L-isoleucina, era inhibida per L-isoleucina, i que no exhibia una cinètica típica de Michaelis-Menten amb una corba hiperbòlica, sinó que tenia una corba sigmoidal.
-En 1963, Perutz i col., Van descobrir mitjançant raigs X canvis conformacionals de l'estructura de l'hemoglobina quan s'uneix a l'oxigen. Monod i Jacob renombraron els llocs reguladors com "llocs al·lostèrics".
-En 1965, Monod, Wyman i Changeux proposen el model simètric, o model MWC (lletres inicials de Monod, Wyman i Changeux) per explicar les interaccions al·lostèrics.
-En 1966, Koshland, Nemethy i Filmer proposen el model seqüencial o d'acoblament induït, o model KNF, per explicar les interaccions al·lostèrics.
-El 1988, l'estructura de raigs X de la aspartat transcarbamilasa va demostrar el model simètric postulat per Monod, Wyman i Changeux.
-A la dècada de 1990, les mutacions, modificacions covalents i canvis de pH van ser considerats com efectors al·lostèrics.
-En 1996, l'estructura de raigs X de l'repressor lac va demostrar transicions alostéricas.
Mecanismes d'acció i exemples
-Característiques dels models MWC i KNF de la regulació al·lostèrica
model MWC
La hipòtesi original de el model MWC va proposar el següent (Monod, Wyman, Changeux, 1965)
Les proteïnes alostéricas són oligòmers constituïts per protómeros relacionats simètricament. Els protómeros estan conformats per subunitats o cadenes polipeptídiques.
Els oligòmers tenen, al menys, dos estats de conformació (R i T). Tots dos estats (de l'estructura quaternària) estableixen espontàniament un equilibri, amb o sense lligant unit.
Quan ocorre la transició d'un estat a un altre la simetria és conservada, i l'afinitat d'un lloc (o de diversos) llocs esteroespecíficos cap a un lligant és alterada.
D'aquesta manera, la unió cooperativa dels lligands segueix a partir de la interacció cooperativa entre subunitats.
model KNF
La hipòtesi de el model KNF va proposar el següent (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): La unió de l'lligant produeix un canvi en l'estructura terciària en una subunitat. Aquest canvi de conformació afecta les subunitats veïnes.
L'afinitat d'unió de l'lligant de Ia proteïna depèn de el nombre de lligands que manté units. Per tant, les proteïnes al·lostèrics posseeixen múltiples estats conformacionals que inclouen estats intermedis.
Durant les últimes cinc dècades, els models MWC i KNF han estat avaluats mitjançant estudis bioquímics i estructurals. Es va demostrar que nombroses proteïnes alostéricas, incloent enzims, compleixen amb el proposat en el model MWC, encara que hi ha excepcions.
El model MWC i els enzims al·lostèrics (o enzims reguladores alostéricas)
Els enzims al·lostèrics freqüentment són més grans i més complexes que els enzims no al·lostèrics. La aspartat transcarbamilasa (Asp transcarbamilasa o ATCasa) i la fosfofructoquinasa-1 (PFK-1) són exemples clàssics d'enzims al·lostèrics que compleixen amb el model MWC.
ATCasa de
La ATCasa catalitza la primera reacció de la via de biosíntesi de nucleòtids de pirimidines (CTP i UTP) i usa Asp com a substrat. L'estructura de la ATCasa consisteix en subunitats catalítiques i reguladores. La ATCasa té dos estats conformacionals R i T. La simetria entre aquests dos estats és conservat.
La cinètica de la ATCasa (la velocitat inicial de la ATCasa amb diferents concentracions d'aspartat) es caracteritza per una corba sigmoide. Això indica que la ATCasa té un comportament cooperatiu.
La ATCasa és inhibida per retroalimentació per CTP. La corba sigmoide de la ATCasa, en presència de CTP, està a la dreta de la corba sigmoide de la ATCasa en absència de CTP. S'evidencia un increment en el valor de la constant de Michaelis-Menten (K m).
És a dir, en presència de CTP, la ATCasa requereix una major concentració d'aspartat per arribar a la meitat de la velocitat màxima (V max), en comparació de la ATCasa en absència de CTP.
En conclusió, el CTP és un efector al·lostèric negatiu heterotropico perquè disminueix l'afinitat de la ATCasa pel aspartat. Aquest comportament es coneix com cooperativitat negativa.
PFK-1
La PFK-1 catalitza la tercera reacció de la via de la glicòlisi. Aquesta reacció consisteix en la transferència d'un grup fosfat des de l'ATP a la fructosa 6-fosfat. L'estructura de la PFK-1 és un tetràmer, que exhibeix dos estats conformacionals R i T. La simetria entre aquests dos estats és conservat.
La cinètica de la PFK-1 (la velocitat inicial amb diferents concentracions de fructosa 6-fosfat) exhibeix una corba sigmoide. La PFK-1está subjecta a una complexa regulació al·lostèrica per ATP, AMP i fruitosa-2,6-bifosfat, a saber:
La corba sigmoide de la PFK-1, en presència d'una alta concentració d'ATP, es troba a la dreta de la corba sigmoide a baixa concentració d'ATP (Figura 4). S'evidencia un increment en el valor de la constant de Michaelis-Menten (K m).
En presència d'una alta concentració d'ATP, la PFK-1 requereix una major concentració de fructosa 6-fosfat per arribar a la meitat de la velocitat màxima (V max).
En conclusió, l'ATP, a més de ser substrat, és un efector al·lostèric heterotropico negatiu perquè disminueix l'afinitat de la PFK-1 per la fructosa 6-fosfat.
La corba sigmoide de la PFK-1, en presència d'AMP, es troba a l'esquerra de la corba sigmoide de la PFK-1 en presència d'ATP. És a dir, l'AMP elimina l'efecte inhibidor de l'ATP.
En presència d'AMP, la PFK-1 requereix una menor concentració de fructosa 6-fosfat per arribar a la meitat de la velocitat màxima (V max). Això es manifesta en el fet que hi ha una disminució en el valor de la constant de Michaelis-Menten (K m).
En conclusió, l'AMP és un efector al·lostèric heterotrópico positiu perquè augmenta l'afinitat d'unió de la PFK-1 per la fructosa 6-fosfat. La fruitosa-2,6-bisfosfat (F2,6BP) és un potent activador al·lostèric de la PFK-1 (Figura 5), i el seu comportament és similar a el de l'AMP.
El model MWC és comú, però no universal
De el total de les estructures de proteïnes dipositades en PDB (Protein data bank), la meitat són oligòmers i l'altra meitat són monòmers. S'ha demostrat que la cooperativitat no necessita de múltiples lligands, ni de l'acoblament de múltiples subunitats. Aquest és el cas de la glucoquinasa i altres enzims.
La glucoquinasa és monomèrica, té una cadena polipeptídica, i exhibeix una cinètica sigmoïdal en resposta a l'increment de la concentració de glucosa en sang (Porter i Miller, 2012; Kamata i col., 2004).
Hi ha diferents models que expliquen la cinètica cooperativa en enzims monomèriques, a saber: model mnemònic, model de transició lenta induïda per lligand, addició a l'atzar de substrats en reaccions biomoleculars, tipus de canvis conformacionals lents, entre d'altres.
Estudis de l'estructura de la glucoquinasa han donat suport al model mnemònic
La glucoquinasa humana normal té una K m de 8 mM per la glucosa. Aquest valor és a prop de la concentració de glucosa en sang.
Hi ha pacients que pateixen d'hiperinsulinèmia pesistente de la infància (sigles en anglès, PHHI). La glucocinasa d'aquests pacients té una K m per a la glucosa amb un valor més baix que les glucoquinasas normals, i la cooperativitat és reduïda de forma important.
En conseqüència, aquests pacients tenen una variant de glucocinasa que és hiperactiva, que en casos severs pot ser letal.
Aplicacions de l'Al·losterisme
La alostería i la catàlisi estan íntimament unides. A causa d'això, els efectes al·lostèrics poden afectar les característiques de la catàlisi com ara la unió de l'lligant, alliberament de l'lligant.
Els llocs d'unió al·lostèrics poden ser blancs de noves drogues. Això es deu al fet que l'efector al·lostèric pot influenciar la funció de l'enzim. La identificació de llocs al·lostèrics és el primer pas per al descobriment de drogues que millorin la funció dels enzims.
referències
- Changeux, JP 2012. Allostery and the Monod-Wyman-Changeux model After 50 years. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, 41: 103-133.
- Changeux, JP 2013. 50 years of allosteric interactions: the twists and turns of the models. Molecular Cell Biology, in Nature Reviews, 14: 1-11.
- Goodey, NM and Benkovic, SJ 2008. Allosteric regulation and catalysis emergeix via a common route. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
- Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, I. 2004. Structural basis for allosteric regulation of the monomeric allosteric enzyme human glucokinase. Structure, 12: 429-438.
- Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Comparison of experimental binding data and Theoretical models in proteins containing subunits. Biochemistry, 5: 365-385.
- Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. On the nature of allosteric transitions: a plausible model. Journal of Molecular Biology, 12: 88-118.
- Nelson, DL and Cox, MM, 2008. Lehninger-Principles of Biochemistry. WH Freeman and Company, New York.
- Porter, CM and Miller, BG 2012. Cooperativity in monomeric enzymes with single ligand-binding sites. Bioorganic Chemistry, 43: 44-50.
- Voet, D. and Voet, J. 2004. Bioquímica. John Wiley and Sons, USA.