Cooperatividad

Cinética enzimática y enlace químico

La cooperatividad es un fenómeno que se manifiesta en sistemas que involucran elementos idénticos o casi idénticos, que actúan de manera dependiente unos de otros, en relación con un hipotético sistema estándar que no interactúa en el que los elementos individuales actúan de manera independiente. Una manifestación de esto son las enzimas o receptores que tienen múltiples sitios de unión donde la afinidad de los sitios de unión por un ligando aparentemente aumenta, cooperatividad positiva , o disminuye, cooperatividad negativa , tras la unión de un ligando a un sitio de unión. Por ejemplo, cuando un átomo de oxígeno se une a uno de los cuatro sitios de unión de la hemoglobina, la afinidad por el oxígeno de los tres sitios de unión restantes disponibles aumenta; es decir, es más probable que el oxígeno se una a una hemoglobina unida a un oxígeno que a una hemoglobina no unida. Esto se conoce como unión cooperativa . ^[1]

También vemos cooperatividad en moléculas de cadena grande hechas de muchas subunidades idénticas (o casi idénticas) (como ADN , proteínas y fosfolípidos ), cuando dichas moléculas experimentan transiciones de fase como fusión, desdoblamiento o desenrollado. Esto se conoce como cooperatividad de subunidades. Sin embargo, la definición de cooperatividad basada en el aparente aumento o disminución de la afinidad a los sucesivos pasos de unión del ligando es problemática, ya que el concepto de "energía" siempre debe definirse en relación con un estado estándar. Cuando decimos que la afinidad aumenta con la unión de un ligando, empíricamente no está claro a qué nos referimos, ya que se requiere una curva de unión no cooperativa para definir rigurosamente la energía de enlace y, por lo tanto, también la afinidad. Una definición mucho más general y útil de cooperatividad positiva es: Un proceso que involucra múltiples pasos incrementales idénticos, en el que los estados intermedios están estadísticamente subrepresentados en relación con un sistema estándar hipotético (hipótesis nula) donde los pasos ocurren independientemente unos de otros.

De la misma manera, una definición de cooperatividad negativa sería un proceso que involucra múltiples pasos incrementales idénticos, en el que los estados intermedios están sobrerrepresentados en relación con un estado estándar hipotético en el que los pasos individuales ocurren de forma independiente. ^[2] Estas últimas definiciones de cooperatividad positiva y negativa abarcan fácilmente todos los procesos que llamamos "cooperativos", incluidas las transiciones conformacionales en moléculas grandes (como las proteínas) e incluso los fenómenos psicológicos de grandes cantidades de personas (que pueden actuar independientemente unas de otras o de forma cooperativa).

Vinculación cooperativa

Cuando un sustrato se une a una subunidad enzimática, el resto de las subunidades se estimulan y se activan. Los ligandos pueden tener cooperatividad positiva, negativa o no cooperatividad.

La forma sigmoidea de la curva de disociación de oxígeno de la hemoglobina es resultado de la unión cooperativa del oxígeno a la hemoglobina.

Un ejemplo de cooperatividad positiva es la unión del oxígeno a la hemoglobina . Una molécula de oxígeno puede unirse al hierro ferroso de una molécula de hemo en cada una de las cuatro cadenas de una molécula de hemoglobina . La desoxihemoglobina tiene una afinidad relativamente baja por el oxígeno , pero cuando una molécula se une a un solo hemo, la afinidad por el oxígeno aumenta, lo que permite que la segunda molécula se una más fácilmente, y la tercera y la cuarta aún más fácilmente. La afinidad por el oxígeno de la 3-oxihemoglobina es ~300 veces mayor que la de la desoxihemoglobina. Este comportamiento hace que la curva de afinidad de la hemoglobina sea sigmoidea , en lugar de hiperbólica como ocurre con la mioglobina monomérica . Por el mismo proceso, la capacidad de la hemoglobina para perder oxígeno aumenta a medida que se unen menos moléculas de oxígeno. ^[1] Véase también Curva de disociación oxígeno-hemoglobina .

La cooperatividad negativa significa que sucederá lo contrario; a medida que los ligandos se unen a la proteína , la afinidad de la proteína por el ligando disminuirá, es decir, será menos probable que el ligando se una a la proteína. Un ejemplo de esto es la relación entre el gliceraldehído-3-fosfato y la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa.

La cooperatividad homotrópica se refiere al hecho de que la molécula que causa la cooperatividad es la que se verá afectada por ella. La cooperatividad heterotrópica es cuando una sustancia de terceros causa el cambio en la afinidad. La cooperatividad homotrópica o heterotrópica puede ser tanto positiva como negativa, dependiendo de si apoya o se opone a una mayor unión de las moléculas de ligando a las enzimas. ^[3]

Cooperatividad de subunidades

La cooperatividad no es solo un fenómeno de unión de ligandos, sino que también se aplica en cualquier momento en que las interacciones energéticas hacen que sea más fácil o más difícil que algo suceda involucrando múltiples unidades en lugar de con unidades individuales. (Es decir, más fácil o más difícil en comparación con lo que se espera cuando solo se tiene en cuenta la adición de múltiples unidades). Por ejemplo, el desenrollado del ADN implica cooperatividad: porciones de ADN deben desenrollarse para que el ADN lleve a cabo la replicación , la transcripción y la recombinación . La cooperatividad positiva entre nucleótidos de ADN adyacentes hace que sea más fácil desenrollar un grupo completo de nucleótidos adyacentes que desenrollar el mismo número de nucleótidos esparcidos a lo largo de la cadena de ADN. El tamaño de la unidad cooperativa es el número de bases adyacentes que tienden a desenrollarse como una sola unidad debido a los efectos de la cooperatividad positiva. Este fenómeno también se aplica a otros tipos de moléculas de cadena, como el plegamiento y desplegamiento de proteínas y en la "fusión" de cadenas de fosfolípidos que forman las membranas de las células . La cooperatividad de subunidades se mide en la escala relativa conocida como Constante de Hill.

Ecuación de Hill

Un modelo simple y ampliamente utilizado para las interacciones moleculares es la ecuación de Hill , que proporciona una forma de cuantificar la unión cooperativa al describir la fracción de sitios de unión de ligando saturados en función de la concentración de ligando.

Coeficiente de Hill

El coeficiente de Hill es una medida de ultrasensibilidad (es decir, qué tan pronunciada es la curva de respuesta).

Desde un punto de vista operativo el coeficiente de Hill se puede estimar como:

${\displaystyle n_{H}={\frac {\log(81)}{\ce {\log(EC90/EC10)}}}}$.

donde y son los valores de entrada necesarios para producir el 10% y el 90% de la respuesta máxima, respectivamente. ${\displaystyle {\ce {EC90}}}$ ${\displaystyle {\ce {EC10}}}$

Coeficiente de respuesta

Las medidas de sensibilidad global, como el coeficiente de Hill, no caracterizan los comportamientos locales de las curvas en forma de S. En cambio, estas características se reflejan bien en la medida del coeficiente de respuesta ^[4], que se define como:

${\displaystyle R(x)={\frac {x}{y}}{\frac {dy}{dx}}}$

En biología de sistemas , estas respuestas se denominan elasticidades .

Relación entre el coeficiente de Hill y el coeficiente de respuesta

Altszyler et al. (2017) han demostrado que estas medidas de ultrasensibilidad pueden vincularse mediante la siguiente ecuación: ^[5]

${\displaystyle n_{H}=2{\frac {\int _{\ce {\log(EC10)}}^{\ce {\log(EC90)}}R_{f}(I)d(\log I)}{\ce {\log(EC90)-\log(EC10)}}}=2\langle R_{f}\rangle _{\ce {EC10,EC90}}}$

donde denota el valor medio de la variable x en el rango [a,b]. ${\displaystyle \langle X\rangle _{a,b}}$

Ultrasensibilidad en la composición funcional

Consideremos dos módulos ultrasensibles acoplados, sin tener en cuenta los efectos del secuestro de componentes moleculares entre capas. En este caso, la expresión para la curva dosis-respuesta del sistema, F , resulta de la composición matemática de las funciones, , que describen la relación de entrada/salida de los módulos aislados : ${\displaystyle f_{i}}$ ${\displaystyle i=1,2}$

${\displaystyle F(I_{1})=f_{2}{\big (}f_{1}(I_{1}){\big )}}$

Brown et al. (1997) ^{[6] [5]} han demostrado que la ultrasensibilidad local de las diferentes capas se combina multiplicativamente:

${\displaystyle R(x)=R_{2}(f_{1}(x)).R_{1}(x)}$.

En relación con este resultado, Ferrell et al. (1997) ^[7] demostraron, para los módulos de tipo Hill, que la ultrasensibilidad global de la cascada general tenía que ser menor o igual al producto de las estimaciones de ultrasensibilidad global de cada capa de la cascada, ^[5]

${\displaystyle n\leq n_{1}.n_{2}}$,

donde y son el coeficiente de Hill de los módulos 1 y 2 respectivamente. ${\displaystyle n_{1}}$ ${\displaystyle n_{2}}$

Altszyler et al. (2017) ^[5] han demostrado que la ultrasensibilidad global de la cascada se puede calcular analíticamente:

${\displaystyle n=2\overbrace {\langle R_{2}\rangle _{X10_{2},X90_{2}}} ^{\nu _{2}}\overbrace {\langle R_{1}\rangle _{X10_{1},X90_{1}}} ^{\nu _{1}}=2\,\nu _{2}\,\nu _{1}}$

donde y delimitaron el rango de trabajo de la entrada de Hill del sistema compuesto, es decir, los valores de entrada para la capa i de modo que la última capa (que corresponde a en este caso) alcanzara el 10% y el 90% de su nivel de salida máxima. De esta ecuación se desprendía que el coeficiente de Hill n del sistema podía escribirse como el producto de dos factores, y , que caracterizaban las sensibilidades promedio locales sobre la región de entrada relevante para cada capa: , con en este caso. ${\displaystyle X10_{i}}$ ${\displaystyle X90_{i}}$ ${\displaystyle i=2}$ ${\displaystyle \nu _{1}}$ ${\displaystyle \nu _{2}}$ ${\displaystyle [X10_{i},X90_{i}]}$ ${\displaystyle i=1,2}$

Para el caso más general de una cascada de N módulos, el coeficiente de Hill se puede expresar como:

${\displaystyle n=\nu _{N}\,\nu _{N-1}...\nu _{1}}$,

Supramultiplicatividad

Varios autores han informado de la existencia de un comportamiento supramultiplicativo en cascadas de señalización ^{[8] [9]} (es decir, la ultrasensibilidad de la combinación de capas es mayor que el producto de las ultrasensibilidades individuales), pero en muchos casos el origen último de la supramultiplicatividad sigue siendo esquivo. El marco de Altszyler et al. (2017) ^[5] sugirió naturalmente un escenario general en el que podría tener lugar un comportamiento supramultiplicativo. Esto podría ocurrir cuando, para un módulo dado, el rango de trabajo de entrada de Hill correspondiente se ubicaba en una región de entrada con ultrasensibilidades locales superiores a la ultrasensibilidad global de la respectiva curva dosis-respuesta.

Referencias

1. Whitford D (2005). Proteínas: estructura y función . John Wiley & Sons. págs. 66–74.
2. Abeliovich H (julio de 2005). "Un principio de extremo empírico para el coeficiente de Hill en interacciones ligando-proteína que muestran cooperatividad negativa". Revista Biofísica . 89 (1): 76–9. Bibcode :2005BpJ....89...76A. doi :10.1529/biophysj.105.060194. PMC 1366580 . PMID  15834004. 
3. Hussain R, Kumari I, Sharma S, Ahmed M, Khan TA, Akhter Y (diciembre de 2017). "Diversidad catalítica y alosteria homotrópica de dos proteínas similares a la monooxigenasa del citocromo P450 de Trichoderma brevicompactum". Journal of Biological Inorganic Chemistry . 22 (8): 1197–1209. doi :10.1007/s00775-017-1496-6. PMID  29018974. S2CID  25685603.
4. Kholodenko BN, Hoek JB, Westerhoff HV, Brown GC (septiembre de 1997). "Cuantificación de la transferencia de información a través de vías de transducción de señales celulares". FEBS Letters . 414 (2): 430–4. doi : 10.1016/S0014-5793(97)01018-1 . PMID  9315734. S2CID  19466336.
5. Altszyler E, Ventura AC, Colman-Lerner A, Chernomoretz A (29 de junio de 2017). "Revisión de la ultrasensibilidad en las cascadas de señalización: vinculación de las estimaciones de ultrasensibilidad local y global". PLOS ONE . ​​12 (6): e0180083. arXiv : 1608.08007 . Bibcode :2017PLoSO..1280083A. doi : 10.1371/journal.pone.0180083 . PMC 5491127 . PMID  28662096.  Este artículo contiene citas de esta fuente, que está disponible bajo la licencia Creative Commons Atribución 4.0 Internacional (CC BY 4.0).
6. Brown GC, Hoek JB, Kholodenko BN (agosto de 1997). "¿Por qué las cascadas de proteína quinasa tienen más de un nivel?". Tendencias en ciencias bioquímicas . 22 (8): 288. doi :10.1016/s0968-0004(97)82216-5. PMID  9270298.
7. Ferrell JE (agosto de 1997). "Cómo las respuestas se vuelven más parecidas a las de un interruptor a medida que se avanza por la cascada de la proteína quinasa". Tendencias en ciencias bioquímicas . 22 (8): 288–9. doi :10.1016/s0968-0004(97)82217-7. PMID  9270299.
8. Altszyler E, Ventura A, Colman-Lerner A, Chernomoretz A (octubre de 2014). "Impacto de las restricciones ascendentes y descendentes en la ultrasensibilidad de un módulo de señalización". Biología física . 11 (6): 066003. Bibcode :2014PhBio..11f6003A. doi :10.1088/1478-3975/11/6/066003. PMC 4233326 . PMID  25313165. 
9. Rácz E, Slepchenko BM (julio de 2008). "Sobre la amplificación de la sensibilidad en cascadas de señalización intracelular". Physical Biology . 5 (3): 036004. Bibcode :2008PhBio...5c6004R. doi :10.1088/1478-3975/5/3/036004. PMC 2675913 . PMID  18663279.