En los campos de la bioquímica y la farmacología, un regulador alostérico (o modulador alostérico ) es una sustancia que se une a un sitio de una enzima o receptor distinto del sitio activo , lo que produce un cambio conformacional que altera la actividad de la proteína, ya sea mejorando o inhibiendo su función. Por el contrario, las sustancias que se unen directamente al sitio activo de una enzima o al sitio de unión del ligando endógeno de un receptor se denominan reguladores o moduladores ortostéricos .
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 . [1] [2] Los efectores que mejoran 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 bucles de control, como la retroalimentación de productos posteriores o la retroalimentación de sustratos anteriores. La alosteria de largo alcance es especialmente importante en la señalización celular . [3] 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 ), "otro", y stereos ( στερεός ), "sólido (objeto)". Esto se refiere al hecho de que el sitio regulador de una proteína alostérica es físicamente distinto de su sitio activo. El alosterio contrasta con la presentación del sustrato que no requiere ningún cambio conformacional para la activación de una enzima. El término ortosterio proviene del griego antiguo orthós ( ὀρθός ), que significa "recto", "erguido", "derecho" o "correcto".
Muchos efectos alostéricos pueden explicarse mediante el modelo MWC concertado propuesto por Monod , Wyman y Changeux [4] o mediante el modelo secuencial (también conocido como modelo KNF) descrito por Koshland , Nemethy y Filmer [5] . Ambos postulan que las subunidades proteicas existen en una de dos conformaciones , tensa (T) o relajada (R), y que las subunidades relajadas se unen al sustrato más fácilmente que las del estado tenso. Los dos modelos difieren más en sus suposiciones sobre la interacción de las subunidades y la preexistencia de ambos estados. Para las proteínas en las que las subunidades existen en más de dos conformaciones , se puede utilizar el modelo de paisaje alostérico descrito por Cuendet, Weinstein y LeVine [6] . La regulación alostérica puede verse facilitada por la evolución de cambios conformacionales de baja energía y gran escala, lo que permite la interacción alostérica de largo alcance entre sitios de unión distantes [7] .
El modelo concertado de alostérico, también conocido como modelo de simetría o modelo MWC , postula que las subunidades de enzimas 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 cualquier otro), el equilibrio favorece uno de los estados conformacionales, T o R. El equilibrio puede desplazarse al estado R o T mediante la unión de un ligando (el efector o ligando alostérico) a un sitio que es diferente del sitio activo.
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, no todas las subunidades enzimáticas necesitan la misma conformación. Además, el modelo secuencial dicta que las moléculas de un sustrato se unen mediante 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 del sustrato en una subunidad solo altera ligeramente la estructura de otras subunidades de modo que sus sitios de unión son más receptivos al sustrato. Para resumir:
El modelo de regulación alostérica de la morfeína es un modelo concertado disociativo. [8]
Una morfeína es una estructura homooligomérica que puede existir como un conjunto de ensamblajes cuaternarios alternativos fisiológicamente significativos y funcionalmente diferentes. Las transiciones entre ensamblajes cuaternarios alternativos de morfeína implican la disociación de oligómeros, el cambio conformacional en el estado disociado y el reensamblaje a un oligómero diferente. El paso requerido de desensamblaje de oligómeros diferencia el modelo de morfeína para la regulación alostérica de los modelos clásicos MWC y KNF.
La porfobilinógeno sintasa (PBGS) es el prototipo de la morfeína.
Los modelos de conjunto de regulación alostérica enumeran el conjunto estadístico de un sistema alostérico como una función de su función de energía potencial y luego relacionan mediciones estadísticas específicas de alosterio con términos de energía específicos en la función de energía (como un puente salino intermolecular entre dos dominios). [9] Los modelos de conjunto como el modelo alostérico de conjunto [10] y el modelo alostérico de Ising [11] suponen que cada dominio del sistema puede adoptar dos estados similares al modelo MWC. El modelo de paisaje alostérico introducido por Cuendet, Weinstein y LeVine [6] permite que los dominios tengan cualquier número de estados y la contribución de una interacción molecular específica a un acoplamiento alostérico dado se puede estimar utilizando un conjunto riguroso de reglas. Las simulaciones de dinámica molecular se pueden utilizar para estimar el conjunto estadístico de un sistema de modo que pueda analizarse con el modelo de paisaje alostérico.
La modulación alostérica se utiliza para alterar la actividad de moléculas y enzimas en bioquímica y farmacología. A modo de comparación, un fármaco típico se une al sitio activo de una enzima, lo que impide la unión de un sustrato a esa enzima, lo que provoca una disminución de la actividad enzimática. La modulación alostérica se produce cuando un efector se une a un sitio alostérico (también conocido como sitio regulador) de una enzima y altera la actividad enzimática. Los moduladores alostéricos están diseñados para adaptarse al sitio alostérico para provocar un cambio conformacional de la enzima, en particular un cambio en la forma del sitio activo, que a su vez provoca un cambio en su actividad. A diferencia de los fármacos típicos, los moduladores no son inhibidores competitivos . Pueden ser positivos (activadores) y provocar un aumento de la actividad enzimática o negativos (inhibidores) y provocar una disminución de la actividad enzimática. El uso de la modulación alostérica permite controlar los efectos de actividades enzimáticas específicas; como resultado, los moduladores alostéricos son muy eficaces en farmacología. [12] En un sistema biológico, la modulación alostérica puede ser difícil de distinguir de la modulación por presentación del sustrato .
Un ejemplo de este modelo se observa en el caso de Mycobacterium tuberculosis , una bacteria perfectamente adaptada a la vida en los macrófagos de los seres humanos. Los sitios de la enzima sirven como comunicación entre diferentes sustratos, en concreto entre AMP y G6P . Sitios como estos también sirven como mecanismo de detección del rendimiento de la enzima. [13]
La modulación alostérica positiva (también conocida como activación alostérica ) ocurre cuando la unión de un ligando mejora 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 efectivamente tanto el sustrato como el efector. El sitio alostérico, u "otro", es el sitio activo de una subunidad proteica adyacente . 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 específica de IMP-GMP citosólico (cN-II), donde la afinidad por el sustrato GMP aumenta con la unión de GTP en la interfaz del dímero.
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 ocurre cuando un regulador está ausente en el sitio de unión.
Los inhibidores directos de la trombina constituyen un excelente ejemplo de modulación alostérica negativa. Se han descubierto inhibidores alostéricos de la trombina que podrían utilizarse 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.
Otro caso en el que se puede observar una modulación alostérica negativa es entre el ATP y la enzima fosfofructoquinasa dentro del circuito de retroalimentación negativa que regula la glucólisis . La fosfofructoquinasa (generalmente denominada PFK ) es una enzima que cataliza el tercer paso de la glucólisis: la fosforilación de la fructosa-6-fosfato en fructosa 1,6-bisfosfato . La 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 , lo que provocará un cambio en la forma tridimensional de la enzima. Este cambio hace que su afinidad por el sustrato ( fructosa-6-fosfato y ATP ) en el sitio activo disminuya, 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 manera, el ATP sirve como modulador alostérico negativo de la PFK, a pesar de que también es un sustrato de la enzima.
Un modulador alostérico homotrópico es un sustrato para su proteína objetivo , así como una molécula reguladora de la actividad de la proteína. Por lo general, es un activador de la proteína. [14] Por ejemplo, el O2 y el CO son moduladores alostéricos homotrópicos de la hemoglobina. Asimismo, en la nucleotidasa 5' específica de IMP/GMP, la unión de una molécula de GMP a una sola subunidad de la enzima tetramérica conduce a una mayor afinidad por el GMP por parte de las subunidades posteriores, como lo revelan los gráficos sigmoideos de sustrato versus velocidad. [14]
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. [15] Una vez más, en la nucleotidasa 5' específica de IMP/GMP, 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. [14]
Como se ha destacado ampliamente anteriormente, algunas proteínas alostéricas pueden ser reguladas tanto por sus sustratos como por otras moléculas. Dichas proteínas son capaces de interacciones tanto homotrópicas como heterotrópicas. [14]
Algunos activadores alostéricos se denominan activadores "esenciales" u "obligados", en el sentido de que en su ausencia, la actividad de su enzima objetivo es muy baja o insignificante, como es el caso de la actividad del N-acetilglutamato sobre la carbamoil fosfato sintetasa I, por ejemplo. [16] [17]
Un sitio alostérico no regulador es cualquier componente no regulador de una enzima (o de cualquier proteína) que no sea en sí mismo un aminoácido. Por ejemplo, muchas enzimas requieren la unión del sodio para garantizar su funcionamiento adecuado. Sin embargo, el sodio no actúa necesariamente como una subunidad reguladora; el sodio siempre está presente y no se conocen procesos biológicos que añadan o eliminen sodio para regular la actividad enzimática. El alostérico no regulador podría incluir cualquier otro ion además del sodio (calcio, magnesio, zinc), así como otros productos químicos y posiblemente vitaminas.
La modulación alostérica de un receptor resulta de la unión de moduladores alostéricos en un sitio diferente (un " sitio regulador ") del 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 del receptor, 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 puede pensarse que actúa como un regulador de intensidad en un circuito eléctrico, ajustando la intensidad de la respuesta.
Por ejemplo, el receptor GABA A tiene dos sitios activos a los que se une el neurotransmisor ácido gamma-aminobutírico (GABA), pero también tiene sitios de unión reguladores de benzodiazepinas y de agentes anestésicos generales . Estos sitios reguladores pueden producir cada uno una modulación alostérica positiva, potenciando la actividad del 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 el calcio , y el tratamiento contra el VIH maraviroc .
Las proteínas alostéricas están involucradas y son centrales en muchas enfermedades, [18] [19] y 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 alostéricos del receptor acoplado a proteína G (GPCR) no han enfrentado la misma presión evolutiva que los sitios ortostéricos para acomodar un ligando endógeno, por lo que son más diversos. [20] Por lo tanto, se puede obtener una mayor selectividad de GPCR al apuntar a sitios alostéricos. [20] Esto es particularmente útil para GPCR donde la terapia ortostérica selectiva ha sido difícil debido a la conservación de la secuencia del sitio ortostérico en todos los subtipos de receptores. [21] Además, estos moduladores tienen un potencial disminuido de efectos tóxicos, ya que los moduladores con cooperatividad limitada tendrán un nivel máximo para su efecto, independientemente de la dosis administrada. [20] Otro tipo de selectividad farmacológica que es exclusiva de los moduladores alostéricos se basa en la cooperatividad. Un modulador alostérico puede mostrar cooperatividad neutra con un ligando ortostérico en todos los subtipos de un receptor dado, excepto el subtipo de interés, lo que se denomina "selectividad absoluta de subtipo". [21] Si un modulador alostérico no posee una eficacia apreciable, puede proporcionar otra poderosa ventaja terapéutica sobre los ligandos ortostéricos, a saber, la capacidad de ajustar selectivamente hacia arriba o hacia abajo las respuestas tisulares solo cuando está presente el agonista endógeno. [21] Los sitios de unión de moléculas pequeñas específicos de oligómeros son objetivos farmacológicos para las morfeínas médicamente relevantes . [22]
Existen muchos compuestos sintéticos que contienen varios sitios de unión no covalentes , que presentan cambios conformacionales al ocupar un sitio. La cooperatividad entre contribuciones de unión individuales en tales sistemas supramoleculares es positiva si la ocupación de un sitio de unión mejora la afinidad Δ G en un segundo sitio, y negativa si la afinidad no aumenta. La mayoría de los complejos alostéricos sintéticos dependen de 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. [23] [24] [25] El acoplamiento conformacional entre varios sitios de unión es en sistemas artificiales generalmente mucho mayor que en 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 forzada para la unión de un ligando A. [26]
En muchos sistemas supramoleculares multivalentes [27] puede producirse una interacción directa entre ligandos unidos, lo que puede dar lugar a grandes cooperatividades. La más común es una interacción directa de este tipo entre iones en receptores para pares de iones. [28] [29] Esta cooperatividad también suele denominarse alosterio, aunque los cambios conformacionales en este caso no necesariamente desencadenan eventos de unión.
La alosteria es un medio directo y eficiente para regular la función de las macromoléculas biológicas, producida por la unión de un ligando en un sitio alostérico topográficamente distinto del sitio ortostérico. Debido a la selectividad a menudo alta 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 alostérica (ASD) [30] proporciona un recurso central para la visualización, búsqueda y análisis de la estructura, función y anotación relacionada para 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 las proteínas alostéricas en ASD debería permitir la predicción de la alosteria para proteínas desconocidas, seguida de una validación experimental. Además, los moduladores seleccionados en ASD se pueden utilizar para investigar posibles objetivos alostéricos para un compuesto en cuestión y pueden ayudar a los químicos a implementar modificaciones estructurales para el diseño de nuevos fármacos alostéricos.
No todos los residuos proteicos desempeñan papeles 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. [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] En parte, este creciente interés es 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 seleccionar 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. [39] Estos residuos pueden clasificarse ampliamente como aminoácidos alostéricos de superficie e interiores. Los sitios alostéricos en la superficie generalmente desempeñan funciones reguladoras que son fundamentalmente distintas de las del interior; Los residuos superficiales pueden servir como receptores o sitios efectores en la transmisión de señales alostéricas, mientras que los del interior pueden actuar para transmitir dichas señales. [40] [41]
