En bioquímica y biología molecular, un sitio de unión es una región de una macromolécula , como una proteína , que se une a otra molécula con especificidad . [1] La pareja de unión de la macromolécula a menudo se denomina ligando . [2] Los ligandos pueden incluir otras proteínas (lo que da como resultado una interacción proteína-proteína ), [3] sustratos enzimáticos , [4] segundos mensajeros , hormonas o moduladores alostéricos . [5] El evento de unión suele, pero no siempre, ir acompañado de un cambio conformacional que altera la función de la proteína . [6] La unión a los sitios de unión de proteínas suele ser reversible (transitoria y no covalente ), pero también puede ser covalente reversible [7] o irreversible. [8]
La unión de un ligando a un sitio de unión de una proteína a menudo desencadena un cambio en la conformación de la proteína y da como resultado una función celular alterada. Por lo tanto, los sitios de unión a las proteínas son partes críticas de las vías de transducción de señales . [9] Los tipos de ligandos incluyen neurotransmisores , toxinas , neuropéptidos y hormonas esteroides . [10] Los sitios de unión provocan cambios funcionales en varios contextos, incluida la catálisis enzimática, la señalización de vías moleculares, la regulación homeostática y la función fisiológica. La carga eléctrica , la forma estérica y la geometría del sitio permiten que se unan ligandos altamente específicos, activando una cascada particular de interacciones celulares de las que la proteína es responsable. [11] [12]
Las enzimas provocan catálisis al unirse más fuertemente a los estados de transición que los sustratos y productos. En el sitio de unión catalítica, pueden actuar varias interacciones diferentes sobre el sustrato. Estos van desde catálisis eléctrica, catálisis ácida y básica, catálisis covalente y catálisis de iones metálicos. [10] Estas interacciones disminuyen la energía de activación de una reacción química al proporcionar interacciones favorables para estabilizar la molécula de alta energía. La unión de enzimas permite una mayor proximidad y exclusión de sustancias irrelevantes para la reacción. Esta unión específica también evita las reacciones secundarias. [13] [10]
Los tipos de enzimas que pueden realizar estas acciones incluyen oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas. [14]
Por ejemplo, la transferasa hexoquinasa cataliza la fosforilación de la glucosa para producir glucosa-6-fosfato. Los residuos del sitio activo de la hexoquinasa permiten la estabilización de la molécula de glucosa en el sitio activo y estimulan la aparición de una vía alternativa de interacciones favorables, disminuyendo la energía de activación. [15]
La inhibición de proteínas mediante la unión del inhibidor puede inducir una obstrucción en la regulación de las vías, la regulación homeostática y la función fisiológica.
Los inhibidores competitivos compiten con el sustrato para unirse a enzimas libres en los sitios activos y, por lo tanto, impiden la producción del complejo enzima-sustrato tras la unión. Por ejemplo, la intoxicación por monóxido de carbono es causada por la unión competitiva del monóxido de carbono con el oxígeno en la hemoglobina.
Los inhibidores no competitivos , alternativamente, se unen simultáneamente con el sustrato en los sitios activos. Al unirse a un complejo enzimático sustrato (ES), se forma un complejo enzima sustrato inhibidor (ESI). Al igual que con los inhibidores competitivos, la velocidad de formación del producto también disminuye. [4]
Por último, los inhibidores mixtos pueden unirse tanto a la enzima libre como al complejo enzima-sustrato. Sin embargo, a diferencia de los inhibidores competitivos y no competitivos, los inhibidores mixtos se unen al sitio alostérico. La unión alostérica induce cambios conformacionales que pueden aumentar la afinidad de la proteína por el sustrato. Este fenómeno se llama modulación positiva. Por el contrario, la unión alostérica que disminuye la afinidad de la proteína por el sustrato es una modulación negativa. [dieciséis]
En el sitio activo, un sustrato se une a una enzima para inducir una reacción química. [17] [18] Los sustratos, los estados de transición y los productos pueden unirse al sitio activo, así como a cualquier inhibidor competitivo. [17] Por ejemplo, en el contexto de la función de las proteínas, la unión del calcio a la troponina en las células musculares puede inducir un cambio conformacional en la troponina. Esto permite que la tropomiosina exponga el sitio de unión actina-miosina al que se une la cabeza de miosina para formar un puente cruzado e inducir una contracción muscular . [19]
En el contexto de la sangre, un ejemplo de unión competitiva es el monóxido de carbono, que compite con el oxígeno por el sitio activo del hemo . La alta afinidad del monóxido de carbono puede superar al oxígeno en presencia de una baja concentración de oxígeno. En estas circunstancias, la unión del monóxido de carbono induce un cambio de conformación que impide que el hemo se una al oxígeno, lo que provoca intoxicación por monóxido de carbono. [4]
En el sitio regulador, la unión de un ligando puede provocar una función proteica amplificada o inhibida. [4] [20] La unión de un ligando a un sitio alostérico de una enzima multimérica a menudo induce cooperatividad positiva, es decir, la unión de un sustrato induce un cambio de conformación favorable y aumenta la probabilidad de que la enzima se una a un segundo sustrato. [21] Los ligandos del sitio regulador pueden involucrar ligandos homotrópicos y heterotrópicos , en los que uno o varios tipos de molécula afectan la actividad enzimática, respectivamente. [22]
Las enzimas que están altamente reguladas suelen ser esenciales en las vías metabólicas. Por ejemplo, la fosfofructocinasa (PFK), que fosforila la fructosa en la glucólisis, está regulada en gran medida por el ATP. Su regulación en la glucólisis es imperativa porque es el paso comprometido y limitante de la velocidad de la vía. PFK también controla la cantidad de glucosa designada para formar ATP a través de la vía catabólica . Por lo tanto, a niveles suficientes de ATP, el ATP inhibe alostéricamente la PFK. Esta regulación conserva eficientemente las reservas de glucosa, que pueden ser necesarias para otras vías. El citrato, un intermediario del ciclo del ácido cítrico, también funciona como regulador alostérico de PFK. [22] [23]
Los sitios de unión se pueden caracterizar también por sus características estructurales. Los sitios monocatenarios (de ligandos “monodésmicos”, μόνος: simple, δεσμός: unión) están formados por una única cadena proteica, mientras que los sitios multicatenarios (de ligandos “polidésmicos”, πολοί: muchos) [ 24] son frecuentes en proteínas. [25 ] [ 26]
Los sitios de unión crípticos son los sitios de unión que se forman transitoriamente en forma de apo o que son inducidos por la unión de ligando. La consideración de los sitios de unión crípticos aumenta el tamaño del proteoma humano potencialmente " medicamentoso " de ~40% a ~78% de las proteínas asociadas a enfermedades. [27] Los sitios de unión han sido investigados mediante: máquina de vectores de soporte aplicada al conjunto de datos "CryptoSite", [27] Extensión del conjunto de datos "CryptoSite", [28] simulación de dinámica molecular a larga escala con el modelo de estado de Markov y con experimentos biofísicos, [29] y un índice de sitios crípticos que se basa en la superficie relativa accesible . [30]
Las curvas de unión describen el comportamiento de unión del ligando a una proteína. Las curvas se pueden caracterizar por su forma, sigmoidea o hiperbólica, que refleja si la proteína exhibe o no un comportamiento de unión cooperativa o no cooperativa, respectivamente. [31] Normalmente, el eje x describe la concentración de ligando y el eje y describe la saturación fraccionada de ligandos unidos a todos los sitios de unión disponibles. [4] La ecuación de Michaelis Menten se utiliza generalmente para determinar la forma de la curva. La ecuación de Michaelis Menten se deriva de condiciones de estado estacionario y explica las reacciones enzimáticas que tienen lugar en una solución. Sin embargo, cuando la reacción tiene lugar mientras la enzima está unida a un sustrato, la cinética se desarrolla de manera diferente. [32]
Los modelos con curvas de unión son útiles para evaluar las afinidades de unión del oxígeno a la hemoglobina y la mioglobina en la sangre. La hemoglobina, que tiene cuatro grupos hemo, exhibe unión cooperativa . Esto significa que la unión de oxígeno a un grupo hemo de la hemoglobina induce un cambio de conformación favorable que permite una mayor favorabilidad de unión de oxígeno para los siguientes grupos hemo. En estas circunstancias, la curva de unión de la hemoglobina será sigmoidea debido a su mayor favorabilidad de unión al oxígeno. Dado que la mioglobina tiene un solo grupo hemo, presenta una unión no cooperativa que es hiperbólica en una curva de unión. [33]
Las diferencias bioquímicas entre diferentes organismos y humanos son útiles para el desarrollo de fármacos . Por ejemplo, la penicilina mata las bacterias al inhibir la enzima bacteriana DD-transpeptidasa , destruyendo el desarrollo de la pared celular bacteriana e induciendo la muerte celular. Por lo tanto, el estudio de los sitios de unión es relevante para muchos campos de investigación, incluidos los mecanismos del cáncer, [34] la formulación de fármacos, [35] y la regulación fisiológica. [36] La formulación de un inhibidor para silenciar la función de una proteína es una forma común de terapia farmacéutica. [37]
En el ámbito del cáncer, los ligandos que se editan para que tengan una apariencia similar al ligando natural se utilizan para inhibir el crecimiento tumoral. Por ejemplo, el metotrexato , un quimioterapéutico , actúa como inhibidor competitivo en el sitio activo de la dihidrofolato reductasa . [38] Esta interacción inhibe la síntesis de tetrahidrofolato , cerrando la producción de ADN, ARN y proteínas. [38] La inhibición de esta función reprime el crecimiento neoplásico y mejora la psoriasis grave y la artritis reumatoide en adultos . [37]
En las enfermedades cardiovasculares, se utilizan fármacos como los betabloqueantes para tratar a los pacientes con hipertensión. Los betabloqueantes (β-bloqueadores) son agentes antihipertensivos que bloquean la unión de las hormonas adrenalina y noradrenalina a los receptores β1 y β2 en el corazón y los vasos sanguíneos. Estos receptores normalmente median la respuesta simpática de "lucha o huida", provocando la constricción de los vasos sanguíneos. [39]
Los inhibidores competitivos también se encuentran en gran medida comercialmente. La toxina botulínica , conocida comercialmente como Botox, es una neurotoxina que provoca parálisis fláccida en el músculo debido a la unión a nervios dependientes de acetilcolina. Esta interacción inhibe las contracciones musculares, dando la apariencia de músculo liso. [40]
Se han desarrollado varias herramientas computacionales para la predicción de la ubicación de los sitios de unión en proteínas. [20] [41] [42] Estos pueden clasificarse ampliamente en basados en secuencia o basados en estructura. [42] Los métodos basados en secuencias se basan en la suposición de que las secuencias de porciones funcionalmente conservadas de proteínas, como el sitio de unión, están conservadas. Los métodos basados en estructuras requieren la estructura 3D de la proteína. Estos métodos, a su vez, se pueden subdividir en métodos basados en plantillas y de bolsillo. [42] Los métodos basados en plantillas buscan similitudes 3D entre la proteína objetivo y las proteínas con sitios de unión conocidos. Los métodos basados en bolsillos buscan superficies cóncavas o bolsillos enterrados en la proteína objetivo que posean características como hidrofobicidad y capacidad de formación de enlaces de hidrógeno que les permitirían unirse a ligandos con alta afinidad. [42] Aunque aquí se utiliza el término bolsillo, se pueden usar métodos similares para predecir los sitios de unión utilizados en las interacciones proteína-proteína que generalmente son más planos, no en bolsillos. [43]
Las partes de una macromolécula que participan directamente en su combinación específica con otra molécula.
Molécula que se une a otra molécula, utilizada especialmente para referirse a una molécula pequeña que se une específicamente a una molécula más grande.
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