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 .
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 resulta en 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 aquellos 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 alimentación directa de sustratos anteriores. La alostería 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 estéreos ( στερεός ), "sólido (objeto)". Esto se refiere al hecho de que el sitio regulador de una proteína alostérica es físicamente distinto de su sitio activo.
Muchos efectos alostéricos pueden explicarse mediante el modelo concertado del MWC 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 aquellas en el estado tenso. Los dos modelos difieren más en sus supuestos sobre la interacción de las subunidades y la preexistencia de ambos estados. Para proteínas en las que existen subunidades en más de dos conformaciones , se puede utilizar el modelo de paisaje de alosterio 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, que permiten la interacción alostérica de largo alcance entre sitios de unión distantes. [7]
El modelo concertado de alosterio, 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 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 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 demás. Por 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 al sustrato en una subunidad sólo 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 conjuntos cuaternarios alternativos fisiológicamente significativos y funcionalmente diferentes. Las transiciones entre ensamblajes alternativos de morfeína implican disociación de oligómeros, cambios conformacionales en el estado disociado y reensamblaje en un oligómero diferente. El paso requerido de desmontaje del oligómero 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.
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 alosterio con términos energéticos 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 determinado 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 de alosterio.
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, lo que impide así la unión de un sustrato a esa enzima, lo que provoca una disminución de la actividad enzimática. 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 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 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 modulación alostérica permite el control de 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 de sustrato .
Un ejemplo de este modelo lo vemos con la Mycobacterium tuberculosis , una bacteria que está perfectamente adaptada para adaptarse a vivir en los macrófagos de los 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 desempeño 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 del 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 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 tras 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 falta un regulador en el sitio de unión.
Los inhibidores directos de la trombina proporcionan un excelente ejemplo de modulación alostérica negativa. Se han descubierto inhibidores alostéricos de la trombina que podrían usarse como anticoagulantes.
Otro ejemplo es la estricnina , un veneno convulsivo , que actúa como inhibidor alostérico del receptor de glicina . La glicina es un importante neurotransmisor inhibidor postsináptico en la médula espinal y el tronco del encéfalo de los mamíferos . La estricnina actúa en un sitio de unión separado del receptor de glicina de forma alostérica; es decir, su unión reduce la afinidad del receptor de glicina por la glicina. Por tanto, la estricnina inhibe la acción de un transmisor inhibidor, provocando convulsiones.
Otro caso en el que se puede observar una modulación alostérica negativa es entre el ATP y la enzima fosfofructocinasa 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 ser inhibida 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 de 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 sirve como modulador alostérico negativo de la PFK, a pesar de que también es 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. Normalmente es un activador de la proteína. [14] Por ejemplo, O 2 y 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 única subunidad de la enzima tetramérica conduce a una mayor afinidad por GMP por parte de las subunidades posteriores, como lo revelan los gráficos de sustrato sigmoideo 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. Estas proteínas son capaces de realizar 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 el carbamoil fosfato. sintetasa I, por ejemplo. [16] [17]
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 su 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 o eliminar sodio para regular la actividad enzimática. La alosteria no reguladora podría comprender otros iones además del sodio (calcio, magnesio, zinc), así como otras sustancias químicas y posiblemente vitaminas.
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 mejora o inhibe los efectos del ligando endógeno. En circunstancias normales, actúa provocando un cambio conformacional en una molécula receptora, lo que resulta en 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 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 agentes anestésicos generales . Cada uno de estos sitios reguladores puede producir una 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 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 fundamentales 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 apuntando 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 reducido de efectos tóxicos, ya que los moduladores con cooperatividad limitada tendrán un nivel máximo de efecto, independientemente de la dosis administrada. [20] Otro tipo de selectividad farmacológica que es exclusivo de los moduladores alostéricos se basa en la cooperatividad. Un modulador alostérico puede mostrar cooperación neutra con un ligando ortostérico en todos los subtipos de un receptor determinado excepto en el subtipo de interés, que se denomina "selectividad de subtipo absoluta". [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 sintonizar selectivamente hacia arriba o hacia abajo las respuestas del tejido sólo cuando el agonista endógeno está presente. [21] Los sitios de unión de moléculas pequeñas específicos de oligómeros son objetivos farmacológicos para morfeínas médicamente relevantes . [22]
Hay muchos compuestos sintéticos que contienen varios sitios de unión no covalentes , que exhiben cambios conformacionales al ocupar un sitio. La cooperatividad entre las contribuciones de unión única 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 generalmente mucho mayor en los sistemas artificiales que en las proteínas con su flexibilidad generalmente mayor. El parámetro que determina la eficiencia (medida por la relación de 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. R. [26]
En muchos sistemas supramoleculares multivalentes [27] puede producirse una interacción directa entre ligandos unidos, lo que puede dar lugar a grandes cooperatividades. Lo más común es una interacción tan directa entre iones en receptores de pares iónicos. [28] [29] Esta cooperatividad a menudo también se conoce como alosterio, aunque los cambios conformacionales aquí no necesariamente desencadenan eventos vinculantes.
El alosterio es un medio directo y eficiente para la regulación de la función de una macromolécula biológica, producida por la unión de un ligando en un sitio alostérico topográficamente distinto del sitio ortostérico. Debido a la selectividad del receptor, a menudo alta, y a 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) [30] proporciona un recurso central para la visualización, búsqueda y análisis de la estructura, función y anotaciones relacionadas de moléculas alostéricas. Actualmente, la ASD contiene proteínas alostéricas de más de 100 especies y moduladores en tres categorías (activadores, inhibidores y reguladores). Cada proteína está comentada con una descripción detallada del alosterio, 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 los TEA debería permitir la predicción de la alostería 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 funciones igualmente importantes en la regulación alostérica. La identificación de residuos que son esenciales para la alostería (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 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 atacar pueden dar paso a enfoques en los que, alternativamente, se apuntan a residuos más fáciles de alcanzar que son capaces de regular alostéricamente el sitio primario de interés. [39] Estos residuos pueden clasificarse 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. [40] [41]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: DOI inactivo a partir de marzo de 2024 ( enlace )