Regulación alostérica

Regulación alosterica de una enzima

En bioquímica, la regulación alostérica (o control alostérico) es la regulación de una enzima mediante la unión de una molécula efectora en un sitio distinto al sitio activo de la enzima. sitio.

El sitio al que se une el efector se denomina sitio alostérico o sitio regulador. Los sitios alostéricos permiten que los efectores se unan a la proteína, lo que a menudo da como resultado un cambio conformacional y/o un cambio en la dinámica de la proteína. Los efectores que aumentan la actividad de la proteína se denominan activadores alostéricos, mientras que los que disminuyen la actividad de la proteína se denominan inhibidores alostéricos.

Las regulaciones alostéricas son un ejemplo natural de los bucles de control, como la retroalimentación de los productos aguas abajo o la retroalimentación de los sustratos aguas arriba. La alosteria de largo alcance es especialmente importante en la señalización celular. La regulación alostérica también es particularmente importante en la capacidad de la célula para ajustar la actividad enzimática.

El término alosterio proviene del griego antiguo allos (ἄλλος), "otros" y estéreo (στερεός ), "sólido (objeto)". Esto se refiere al hecho de que el sitio regulador de una proteína alostérica es físicamente distinto de su sitio activo.

Modelos

A – Sitio activo
B – Sitio alósterico
C – Substrate
D – Inhibidor
E – Enzyme
Este es un diagrama de regulación alosterica de una enzima.

Muchos efectos alostéricos pueden explicarse mediante el modelo concertado de MWC presentado por Monod, Wyman y Changeux, o mediante el modelo secuencial (también conocido como modelo KNF) descrito por Koshland, Nemethy, y Filmador. Ambos postulan que las subunidades de proteína existen en una de dos conformaciones, tensas (T) o relajadas (R), y que las subunidades relajadas se unen al sustrato más fácilmente que las que están en estado tenso. Los dos modelos difieren más en sus supuestos sobre la interacción de subunidades y la preexistencia de ambos estados. Para las proteínas en las que existen subunidades en más de dos conformaciones, se puede utilizar el modelo de paisaje alostérico descrito por Cuendet, Weinstein y LeVine.

Modelo concertada

El modelo concertado de alosteria, también conocido como modelo de simetría o modelo MWC, postula que las subunidades enzimáticas están conectadas de tal manera que un cambio conformacional en una subunidad se confiere necesariamente a todas las demás subunidades. Por lo tanto, todas las subunidades deben existir en la misma conformación. El modelo sostiene además que, en ausencia de cualquier ligando (sustrato o de otro tipo), el equilibrio favorece uno de los estados conformacionales, T o R. El equilibrio se puede cambiar al estado R o T a través de la unión de un ligando (el ligando o efector alostérico) a un sitio que es diferente del sitio activo

Modelo secuencial

El modelo secuencial de regulación alostérica sostiene que las subunidades no están conectadas de tal manera que un cambio conformacional en una induzca un cambio similar en las otras. Por lo tanto, todas las subunidades enzimáticas no necesitan la misma conformación. Además, el modelo secuencial dicta que las moléculas de un sustrato se unen a través de un protocolo de ajuste inducido. Si bien dicho ajuste inducido convierte una subunidad del estado tenso al estado relajado, no propaga el cambio conformacional a las subunidades adyacentes. En cambio, la unión al sustrato en una subunidad solo altera ligeramente la estructura de otras subunidades para que sus sitios de unión sean más receptivos al sustrato. Para resumir:

• subunidades no necesitan existir en la misma conformidad
• moléculas de sustrato se unen mediante protocolo inducido-fit
• no se propagan cambios conformecionales a todas las subunidades

Modelo de morfeína

El modelo de morfeína de regulación alostérica es un modelo concertado disociativo.

Una morfeína es una estructura homooligomérica que puede existir como un conjunto de conjuntos cuaternarios alternativos fisiológicamente significativos y funcionalmente diferentes. Las transiciones entre ensamblajes alternativos de morfeína implican la disociación del oligómero, el cambio conformacional en el estado disociado y el reensamblaje en un oligómero diferente. El paso de desmontaje del oligómero requerido diferencia el modelo de morfeína para la regulación alostérica de los modelos clásicos MWC y KNF.

La porfobilinógeno sintasa (PBGS) es el prototipo de morfeína.

Modelos de conjunto

Los modelos de conjunto de regulación alostérica enumeran el conjunto estadístico de un sistema alostérico en función de su función de energía potencial y luego relacionan mediciones estadísticas específicas de alosteria con términos de energía específicos en la función de energía (como un puente salino intermolecular entre dos dominios). Los modelos de conjunto como el modelo alostérico de conjunto y el modelo alostérico de Ising asumen que cada dominio del sistema puede adoptar dos estados similares al modelo MWC. El modelo de paisaje alostérico introducido por Cuendet, Weinstein y LeVine permite que los dominios tengan cualquier número de estados y la contribución de una interacción molecular específica a un acoplamiento alostérico dado puede estimarse utilizando un conjunto riguroso de reglas. Las simulaciones de dinámica molecular se pueden usar para estimar el conjunto estadístico de un sistema para que se pueda analizar con el modelo de paisaje de alostería.

Modulación alostérica

La modulación alostérica se utiliza para alterar la actividad de moléculas y enzimas en bioquímica y farmacología. A modo de comparación, se hace que un fármaco típico se una al sitio activo de una enzima que, por lo tanto, prohíbe la unión de un sustrato a esa enzima, lo que provoca una disminución de la actividad de la enzima. La modulación alostérica ocurre cuando un efector se une a un sitio alostérico (también conocido como sitio regulador) de una enzima y altera la actividad de la enzima. Los moduladores alostéricos están diseñados para ajustarse al sitio alostérico para provocar un cambio conformacional de la enzima, en particular un cambio en la forma del sitio activo, que luego provoca un cambio en su actividad. A diferencia de los fármacos típicos, los moduladores no son inhibidores competitivos. Pueden ser positivos (activadores) provocando un aumento de la actividad enzimática o negativos (inhibidores) provocando una disminución de la actividad enzimática. El uso de la modulación alostérica permite el control de los efectos de actividades enzimáticas específicas; como resultado, los moduladores alostéricos son muy efectivos en farmacología. En un sistema biológico, la modulación alostérica puede ser difícil de distinguir de la modulación por presentación de sustrato.

Modelo de detección de energía

Un ejemplo de este modelo se ve con la Mycobacterium tuberculosis, una bacteria que se adapta perfectamente para adaptarse a vivir en los macrófagos de los humanos. Los sitios de la enzima sirven como comunicación entre diferentes sustratos. Concretamente entre AMP y G6P. Sitios como estos también sirven como un mecanismo de detección para el desempeño de la enzima.

Modulación positiva

La modulación alostérica positiva (también conocida como activación alostérica) ocurre cuando la unión de un ligando aumenta la atracción entre las moléculas de sustrato y otros sitios de unión. Un ejemplo es la unión de moléculas de oxígeno a la hemoglobina, donde el oxígeno es tanto el sustrato como el efector. El sitio alostérico, u 'otro', es el sitio activo de una subunidad de proteína contigua. La unión de oxígeno a una subunidad induce un cambio conformacional en esa subunidad que interactúa con los sitios activos restantes para mejorar su afinidad por el oxígeno. Otro ejemplo de activación alostérica se observa en la 5'-nucleotidasa II (cN-II) específica de IMP-GMP citosólica, donde la afinidad por el sustrato GMP aumenta con la unión de GTP en la interfaz del dímero.

Modulación negativa

La modulación alostérica negativa (también conocida como inhibición alostérica) ocurre cuando la unión de un ligando disminuye la afinidad por el sustrato en otros sitios activos. Por ejemplo, cuando el 2,3-BPG se une a un sitio alostérico de la hemoglobina, la afinidad por el oxígeno de todas las subunidades disminuye. Esto es cuando un regulador está ausente del sitio de unión.

Los inhibidores directos de trombina proporcionan un excelente ejemplo de modulación alostérica negativa. Se han descubierto inhibidores alostéricos de la trombina que potencialmente podrían usarse como anticoagulantes.

Otro ejemplo es la estricnina, un veneno convulsivo que actúa como un inhibidor alostérico del receptor de glicina. La glicina es un importante neurotransmisor inhibidor postsináptico en la médula espinal y el tronco encefálico de los mamíferos. La estricnina actúa en un sitio de unión separado en el receptor de glicina de manera alostérica; es decir, su unión reduce la afinidad del receptor de glicina por la glicina. Por lo tanto, la estricnina inhibe la acción de un transmisor inhibidor, lo que provoca convulsiones.

Otra instancia en la que se puede observar una modulación alostérica negativa es entre el ATP y la enzima fosfofructoquinasa dentro del ciclo de retroalimentación negativa que regula la glucólisis. La fosfofructocinasa (generalmente conocida como PFK) es una enzima que cataliza el tercer paso de la glucólisis: la fosforilación de la fructosa-6-fosfato en fructosa 1,6-bisfosfato. PFK puede inhibirse alostéricamente por altos niveles de ATP dentro de la célula. Cuando los niveles de ATP son altos, el ATP se unirá a un sitio alostérico en la fosfofructoquinasa, provocando un cambio en la forma tridimensional de la enzima. Este cambio hace que disminuya su afinidad por el sustrato (fructosa-6-fosfato y ATP) en el sitio activo, y la enzima se considera inactiva. Esto hace que la glucólisis cese cuando los niveles de ATP son altos, conservando así la glucosa del cuerpo y manteniendo niveles equilibrados de ATP celular. De esta forma, el ATP actúa como modulador alostérico negativo de la PFK, a pesar de que también es sustrato de la enzima.

Tipos

Homotrópico

Un modulador alostérico homotrópico es un sustrato para su proteína diana, así como una molécula reguladora de la actividad de la proteína. Es típicamente un activador de la proteína. Por ejemplo, O₂ y CO son moduladores alostéricos homotrópicos de la hemoglobina. Asimismo, en IMP/GMP específico 5' nucleotidasa, la unión de una molécula de GMP a una sola subunidad de la enzima tetramérica conduce a una mayor afinidad por GMP por parte de las subunidades subsiguientes, como lo revelan los gráficos de sustrato sigmoidal versus velocidad.

Heterotrópico

Un modulador alostérico heterotrópico es una molécula reguladora que no es el sustrato de la enzima. Puede ser un activador o un inhibidor de la enzima. Por ejemplo, H⁺, CO₂ y 2,3-bisfosfoglicerato son moduladores alostéricos heterotrópicos de la hemoglobina. Una vez más, en IMP/GMP específico 5' nucleotidasa, la unión de la molécula de GTP en la interfaz del dímero en la enzima tetramérica conduce a una mayor afinidad por el sustrato GMP en el sitio activo, lo que indica una activación alostérica heterotrópica de tipo K.

Como se ha destacado ampliamente anteriormente, algunas proteínas alostéricas pueden ser reguladas tanto por sus sustratos como por otras moléculas. Tales proteínas son capaces de interacciones tanto homotrópicas como heterotrópicas.

Activadoras esenciales

Algunos activadores alostéricos se conocen como "esenciales" u "obligatorios" activadores, en el sentido de que en su ausencia, la actividad de su enzima diana es muy baja o insignificante, como es el caso de la actividad del N-acetilglutamato sobre la carbamoil fosfato sintetasa I, por ejemplo.

Alostería no reglamentaria

Un sitio alostérico no regulador es cualquier componente no regulador de una enzima (o cualquier proteína), que no es en sí mismo un aminoácido. Por ejemplo, muchas enzimas requieren la unión de sodio para garantizar un funcionamiento adecuado. Sin embargo, el sodio no actúa necesariamente como subunidad reguladora; el sodio siempre está presente y no se conocen procesos biológicos para agregar/eliminar sodio para regular la actividad enzimática. La alosteria no reglamentaria podría comprender otros iones además del sodio (calcio, magnesio, zinc), así como otras sustancias químicas y posiblemente vitaminas.

Farmacología

La modulación alostérica de un receptor resulta de la unión de moduladores alostéricos en un sitio diferente (un 'sitio regulador') del ligando endógeno (un 'sitio activo') y potencia o inhibe los efectos del ligando endógeno. En circunstancias normales, actúa provocando un cambio conformacional en una molécula receptora, lo que da como resultado un cambio en la afinidad de unión del ligando. De esta manera, un ligando alostérico modula la activación del receptor por su ligando ortostérico primario y se puede pensar que actúa como un interruptor de atenuación en un circuito eléctrico, ajustando la intensidad de la respuesta.

Por ejemplo, el receptor GABAA tiene dos sitios activos a los que se une el neurotransmisor ácido gamma-aminobutírico (GABA), pero también tiene sitios de unión reguladores de benzodiacepinas y agentes anestésicos generales. Cada uno de estos sitios reguladores puede producir modulación alostérica positiva, potenciando la actividad de GABA. El diazepam es un modulador alostérico positivo en el sitio regulador de las benzodiazepinas y su antídoto, el flumazenil, es un antagonista del receptor.

Ejemplos más recientes de fármacos que modulan alostéricamente sus objetivos incluyen el cinacalcet, que imita al calcio, y el maraviroc, un tratamiento contra el VIH.

Sitios alostéricos como dianas de fármacos

Los sitios alostéricos pueden representar un nuevo objetivo farmacológico. Hay una serie de ventajas en el uso de moduladores alostéricos como agentes terapéuticos preferidos sobre los ligandos ortostéricos clásicos. Por ejemplo, los sitios de unión alostérica del receptor acoplado a proteína G (GPCR) no se han enfrentado a la misma presión evolutiva que los sitios ortostéricos para adaptarse a un ligando endógeno, por lo que son más diversos. Por lo tanto, se puede obtener una mayor selectividad de GPCR dirigiéndose a sitios alostéricos. Esto es particularmente útil para los GPCR en los que la terapia ortostérica selectiva ha sido difícil debido a la conservación de la secuencia del sitio ortostérico entre los subtipos de receptores. Además, estos moduladores tienen un potencial reducido de efectos tóxicos, ya que los moduladores con cooperatividad limitada tendrán un nivel máximo para su efecto, independientemente de la dosis administrada. Otro tipo de selectividad farmacológica que es exclusivo de los moduladores alostéricos se basa en la cooperatividad. Un modulador alostérico puede mostrar una cooperación neutra con un ligando ortostérico en todos los subtipos de un receptor determinado, excepto el subtipo de interés, que se denomina "selectividad de subtipo absoluta". Si un modulador alostérico no posee una eficacia apreciable, puede proporcionar otra poderosa ventaja terapéutica sobre los ligandos ortostéricos, a saber, la capacidad de sintonizar selectivamente hacia arriba o hacia abajo las respuestas tisulares solo cuando el agonista endógeno está presente. Los sitios de unión de moléculas pequeñas específicos de oligómeros son objetivos farmacológicos para las morfeínas médicamente relevantes.

Sistemas alostéricos sintéticos

Hay muchos compuestos sintéticos que contienen varios sitios de unión no covalentes, que muestran cambios conformacionales al ocupar un sitio. La cooperación entre las contribuciones de enlace simple en dichos sistemas supramoleculares es positiva si la ocupación de un sitio de enlace aumenta la afinidad ΔG en un segundo sitio, y negativa si la afinidad no aumenta. La mayoría de los complejos alostéricos sintéticos se basan en la reorganización conformacional tras la unión de un ligando efector que luego conduce a una asociación mejorada o debilitada del segundo ligando en otro sitio de unión. El acoplamiento conformacional entre varios sitios de unión es en los sistemas artificiales generalmente mucho más grande que en las proteínas con su flexibilidad generalmente mayor. El parámetro que determina la eficiencia (medida por la relación de las constantes de equilibrio Krel = KA(E)/KA en presencia y ausencia de un efector E) es la energía conformacional necesaria para adoptar una conformación cerrada o tensa para la unión de un ligando. A.

En muchos sistemas supramoleculares multivalentes puede ocurrir una interacción directa entre los ligandos unidos, lo que puede dar lugar a grandes cooperatividades. Lo más común es una interacción directa de este tipo entre iones en receptores para pares de iones. Esta cooperación a menudo también se conoce como alostería, aunque aquí los cambios conformacionales no desencadenan necesariamente eventos de unión.

Recursos en línea

Base de datos alostérica

La alosteria es un medio directo y eficiente para la regulación de la función de macromoléculas biológicas, producida por la unión de un ligando en un sitio alostérico topográficamente distinto del sitio ortostérico. Debido a la alta selectividad del receptor y la menor toxicidad basada en el objetivo, también se espera que la regulación alostérica desempeñe un papel cada vez mayor en el descubrimiento de fármacos y la bioingeniería. La base de datos AlloSteric (ASD) proporciona un recurso central para la visualización, búsqueda y análisis de la estructura, la función y la anotación relacionada de las moléculas alostéricas. Actualmente, ASD contiene proteínas alostéricas de más de 100 especies y moduladores en tres categorías (activadores, inhibidores y reguladores). Cada proteína está anotada con una descripción detallada de la alosteria, el proceso biológico y las enfermedades relacionadas, y cada modulador con afinidad de unión, propiedades fisicoquímicas y área terapéutica. La integración de la información de proteínas alostéricas en ASD debería permitir la predicción de alosteria para proteínas desconocidas, seguida de validación experimental. Además, los moduladores curados en ASD se pueden usar para investigar objetivos alostéricos potenciales para un compuesto de consulta y pueden ayudar a los químicos a implementar modificaciones estructurales para el diseño de fármacos alostéricos novedosos.

Residuos alostéricos y su predicción

No todos los residuos de proteínas desempeñan funciones igualmente importantes en la regulación alostérica. La identificación de residuos que son esenciales para la alosteria (los llamados "residuos alostéricos") ha sido el foco de muchos estudios, especialmente en la última década. En parte, este creciente interés es el resultado de su importancia general en la ciencia de las proteínas, pero también porque los residuos alostéricos pueden explotarse en contextos biomédicos. Las proteínas farmacológicamente importantes con sitios difíciles de alcanzar pueden dar lugar a enfoques en los que uno se dirige alternativamente a residuos más fáciles de alcanzar que son capaces de regular alostéricamente el sitio primario de interés. Estos residuos se pueden clasificar en términos generales como aminoácidos alostéricos de superficie e interior. Los sitios alostéricos en la superficie generalmente desempeñan funciones reguladoras que son fundamentalmente distintas de las del interior; los residuos de la superficie pueden servir como receptores o sitios efectores en la transmisión de señales alostéricas, mientras que los del interior pueden actuar para transmitir dichas señales.