Enzimas alostéricas: características, mecanismos acción, ejemplos
Una enzima alostérica (del griego: allo, diferente + stereos, espacio tridimensional) es una proteína en la que se producen interacciones indirectas entre sitios topográficamente diferentes, por la unión de sustratos y moléculas reguladoras (ligandos).
La unión de un ligando a un sitio específico está influenciada por la unión de otro ligando efector (o ligando modulador) a otro sitio diferente (alostérico) de la enzima. Esto se conoce como interacciones alostéricas, o interacciones cooperativas.
Cuando el ligando efector aumenta la afinidad de unión de otro ligando a la enzima, la cooperatividad es positiva. Cuando disminuye la afinidad la cooperatividad es negativa. Si en la interacción cooperativa participan dos ligandos iguales, el efecto es homotrópico, y si los dos ligandos son diferentes, el efecto es heterotrópico.
La interacción cooperativa produce cambios reversibles de la estructura molecular de la enzima, a nivel de la estructura terciaria y cuaternaria. Estos cambios se conocen como cambios conformacionales.
Índice del artículo
El concepto de interacción alostérica surgió hace más de 50 años. Ha evolucionado a través del tiempo, a saber:
-En 1903, se observó la curva sigmoidal de unión de la hemoglobina al oxígeno.
-En 1910, la curva sigmoidal de unión de O2 a la hemoglobina fue descrita matemáticamente mediante la ecuación de Hill.
-En 1954, Novick y Szilard demostraron que una enzima ubicada al comienzo de una vía metabólica era inhibida por el producto final de esta vía, lo cual se conoce como retroalimentación negativa.
-En 1956, Umbarger descubrió que la L–treonina desaminasa, la primera enzima de la vía de biosíntesis de la L–isoleucina, era inhibida por L–isoleucina, y que no exhibía una cinética típica de Michaelis-Menten con una curva hiperbólica, sino que tenía una curva sigmoidal.
-En 1963, Perutz y col., descubrieron mediante rayos X cambios conformacionales de la estructura de la hemoglobina cuando se une al oxígeno. Monod y Jacob renombraron los sitios reguladores como “sitios alostéricos”.
-En 1965, Monod, Wyman y Changeux proponen el modelo simétrico, o modelo MWC (letras iniciales de Monod, Wyman y Changeux) para explicar las interacciones alostéricas.
-En 1966,Koshland, Nemethy y Filmer proponen el modelo secuencial o de acoplamiento inducido, o modelo KNF, para explicar las interacciones alostéricas.
-En 1988, la estructura de rayos X de la aspartato transcarbamilasa demostró el modelo simétrico postulado por Monod, Wyman y Changeux.
-En la década de 1990, las mutaciones, modificaciones covalentes y cambios de pH fueron considerados como efectores alostéricos.
-En 1996, la estructura de rayos X del represor lac demostró transiciones alostéricas.
Modelo MWC
La hipótesis original del modelo MWC propuso lo siguiente (Monod, Wyman, Changeux, 1965)
Las proteínas alostéricas son oligómeros constituidos por protómeros relacionados simétricamente. Los protómeros están conformados por subunidades o cadenas polipeptídicas.
Los oligómeros tienen, al menos, dos estados de conformación (R y T). Ambos estados (de la estructura cuaternaria) establecen espontáneamente un equilibrio, con o sin ligando unido.
Cuando ocurre la transición de un estado a otro la simetría es conservada, y la afinidad de un sitio (o de varios) sitios esteroespecíficos hacia un ligando es alterada.
De esta manera, la unión cooperativa de los ligandos sigue a partir de la interacción cooperativa entre subunidades.
Modelo KNF
La hipótesis del modelo KNF propuso lo siguiente (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966):La unión del ligando produce un cambio en la estructura terciaria en una subunidad. Este cambio de conformación afecta a las subunidades vecinas.
La afinidad de unión del ligando de Ia proteina depende del número de ligandos que mantiene unidos. Por ende, las proteínas alostéricas poseen multiples estados conformacionales que incluyen estados intermedios.
Durante las últimas cinco décadas, los modelos MWC y KNF han sido evaluados mediante estudios bioquímicos y estructurales. Se demostró que numerosas proteínas alostéricas, incluyendo enzimas, cumplen con lo propuesto en el modelo MWC, aunque hay excepciones.
El modelo MWC y las enzimas alostéricas (o enzimas regulatorias alostéricas)
Las enzimas alostéricas frecuentemente son más grandes y más complejas que las enzimas no alostéricas. La aspartato transcarbamilasa (Asp transcarbamilasa o ATCasa) y la fosfofructoquinasa–1 (PFK–1) son ejemplos clasicos de enzimas alostéricas que cumplen con el modelo MWC.
ATCasa de E. coli
La ATCasa cataliza la primera reacción de la vía de biosíntesis de nucleótidos de pirimidinas (CTP y UTP) y usa Asp como sustrato. La estructura de la ATCasa consiste en subunidades catalíticas y reguladoras. La ATCasa tiene dos estados conformacionales R y T. La simetría entre estos dos estados es conservada.
La cinética de la ATCasa (la velocidad inicial de la ATCasa con diferentes concentraciones de aspartato) se caracteriza por una curva sigmoide. Esto indica que la ATCasa tiene un comportamiento cooperativo.
La ATCasa es inhibida por retroalimentación por CTP. La curva sigmoide de la ATCasa, en presencia de CTP, está a la derecha de la curva sigmoide de la ATCasa en ausencia de CTP. Se evidencia un incremento en el valor de la constante de Michaelis-Menten (Km).
Es decir, en presencia de CTP, la ATCasa requiere una mayor concentración de aspartato para alcanzar la mitad de la velocidad máxima (Vmax), en comparación con la ATCasa en ausencia de CTP.
En conclusión, el CTP es un efector alostérico negativo heterotropico porque disminuye la afinidad de la ATCasa por el aspartato. Este comportamiento se conoce como cooperatividad negativa.
PFK–1
La PFK–1 cataliza la tercera reacción de la vía de la glicólisis. Esta reacción consiste en la transferencia de un grupo fosfato desde el ATP a la fructosa 6–fosfato. La estructura de la PFK–1 es un tetrámero, que exhibe dos estados conformacionales R y T. La simetría entre estos dos estados es conservada.
La cinética de la PFK–1 (la velocidad inicial con diferentes concentraciones de fructosa 6-fosfato) exhibe una curva sigmoide. La PFK–1está sujeta a una compleja regulación alostérica por ATP, AMP y frutosa–2,6–bifosfato, a saber:
La curva sigmoide de la PFK–1, en presencia de una alta concentración de ATP, se encuentra a la derecha de la curva sigmoide a baja concentración de ATP (Figura 4). Se evidencia un incremento en el valor de la constante de Michaelis-Menten (Km).
En presencia de una alta concentración de ATP, la PFK–1 requiere una mayor concentración de fructosa 6–fosfato para alcanzar la mitad de la velocidad máxima (Vmax).
En conclusión, el ATP, además de ser sustrato, es un efector alostérico heterotropico negativo porque disminuye la afinidad de la PFK–1 por la fructosa 6–fosfato.
La curva sigmoide de la PFK–1,en presencia de AMP, se encuentra a la izquierda de la curva sigmoide de la PFK–1 en presencia de ATP. Es decir, el AMP elimina el efecto inhibidor del ATP.
En presencia de AMP, la PFK–1 requiere una menor concentración de fructosa 6-fosfato para alcanzar la mitad de la velocidad máxima (Vmax). Esto se manifiesta en el hecho de que hay una disminución en el valor de la constante de Michaelis-Menten (Km).
En conclusión, el AMP es un efector alostérico heterotrópico positivo porque aumenta la afinidad de unión de la PFK–1 por la fructosa 6-fosfato. La frutosa–2,6–bifosfato (F2,6BP) es un potente activador alostérico de la PFK–1 (Figura 5), y su comportamiento es similar al del AMP.
El modelo MWC es común, pero no universal
Del total de las estructuras de proteínas depositadas en PDB (Protein data bank), la mitad son oligómeros y la otra mitad son monómeros. Se ha demostrado que la cooperatividad no necesita de multiples ligandos, ni del ensamblaje de multiples subunidades. Este es el caso de la glucoquinasa y otras enzimas.
La glucoquinasa es monomérica, tiene una cadena polipeptídica, y exhibe una cinética sigmoidal en respuesta al incremento de la concentración de glucosa en sangre (Porter y Miller, 2012; Kamata y col., 2004).
Hay diferentes modelos que explican la cinética cooperativa en enzimas monoméricas, a saber: modelo mnemonico, modelo de transición lenta inducida por ligando, adición al azar de sustratos en reacciones biomoleculares, tipos de cambios conformacionales lentos, entre otros.
Estudios de la estructura de la glucoquinasa han apoyado el modelo mnemónico
La glucoquinasa humana normal posee una Km de 8 mM para la glucosa. Este valor está cerca de la concentración de glucosa en sangre.
Hay pacientes que padecen de hiperinsulinemia pesistente de la infancia (siglas en ingles, PHHI). La glucokinasa de estos pacientes tiene una Km para la glucosa con un valor más bajo que las glucoquinasas normales, y la cooperatividad es reducida de forma importante.
En consecuencia, estos pacientes poseen una variante de glucokinasa que es hiperactiva, que en casos severos puede ser letal.
La alostería y la catálisis están íntimamente unidas. Debido a ello, los efectos alostéricos pueden afectar las características de la catálisis tales como la unión del ligando, liberación del ligando.
Los sitios de unión alostéricos pueden ser blancos de nuevas drogas. Esto se debe a que el efector alostérico puede influenciar la función de la enzima. La identificación de sitios alostéricos es el primer paso para el descubrimiento de drogas que mejoren la función de las enzimas.
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