As enzimas alostéricas são proteínas que possuem um sítio alostérico, além do sítio ativo, onde podem se ligar moléculas reguladoras, chamadas de moduladores alostéricos. Essas moléculas podem atuar ativando ou inibindo a atividade enzimática, alterando a afinidade da enzima pelo substrato.
O mecanismo de ação das enzimas alostéricas envolve uma alteração conformacional da proteína, causada pela ligação do modulador alostérico, que resulta em mudanças na atividade catalítica da enzima. Dessa forma, as enzimas alostéricas apresentam uma regulação mais complexa do que as enzimas não alostéricas, permitindo uma resposta mais rápida às variações do ambiente celular.
Um exemplo clássico de enzima alostérica é a enzima hexoquinase, que regula a glicólise, e é ativada pela glicose-6-fosfato. Outro exemplo é a enzima desidrogenase lactato, que é inibida pelo ATP e estimulada pelo ADP.
Conheça quais são as enzimas reguladas por alosterismo e sua importância na atividade enzimática.
As enzimas alostéricas são proteínas que possuem sítios alostéricos, ou seja, locais distintos dos sítios ativos onde se ligam moléculas reguladoras, chamadas de moduladores alostéricos. Essas moléculas têm a capacidade de alterar a conformação da enzima, ativando ou inibindo sua atividade catalítica.
Um exemplo clássico de enzima alostérica é a enzima regulada pela alostero, que é responsável pela regulação da síntese de purinas. Essa enzima é ativada pela adenosina trifosfato (ATP) e inibida pelo gmp cíclico.
O mecanismo de ação das enzimas alostéricas envolve uma mudança conformacional induzida pela ligação do modulador alostérico ao sítio alostérico. Essa mudança conformacional pode aumentar ou diminuir a afinidade da enzima pelo substrato, alterando assim a velocidade da reação catalisada.
As enzimas alostéricas desempenham um papel fundamental na regulação da atividade enzimática em vias metabólicas. Elas permitem que as células respondam rapidamente às mudanças nas condições do ambiente, ajustando a produção de metabólitos de acordo com a demanda celular.
Portanto, conhecer quais são as enzimas reguladas por alosterismo e compreender sua importância na atividade enzimática é essencial para entender como as células controlam as vias metabólicas e mantêm a homeostase interna.
Entendendo como as enzimas agem: mecanismo de ação em processos bioquímicos.
As enzimas são proteínas que atuam como catalisadores em reações bioquímicas, acelerando as reações químicas que ocorrem nos organismos vivos. Para entender como as enzimas agem, é importante conhecer o seu mecanismo de ação em processos bioquímicos.
As enzimas atuam reduzindo a energia de ativação necessária para que uma reação química ocorra, acelerando assim a velocidade da reação. Elas se ligam a substratos específicos, formando um complexo enzima-substrato que facilita a transformação do substrato em produtos. Esse processo ocorre em um ambiente aquoso, onde a enzima fornece um ambiente favorável para a reação química.
As enzimas possuem um local ativo onde ocorre a ligação com o substrato, e qualquer alteração nesse local pode afetar a atividade enzimática. Além disso, as enzimas são altamente específicas, reconhecendo e se ligando apenas a determinados substratos.
Um tipo especial de enzima são as enzimas alostéricas, que possuem sítios alostéricos onde podem se ligar moduladores alostéricos. Esses moduladores podem tanto aumentar quanto diminuir a atividade enzimática, regulando assim a velocidade das reações bioquímicas. Um exemplo de enzima alostérica é a hexoquinase, que regula a glicólise no metabolismo celular.
O entendimento do mecanismo de ação das enzimas, incluindo as enzimas alostéricas, é essencial para compreender como os processos bioquímicos ocorrem nos seres vivos.
Controle da atividade enzimática: mecanismos e regulação das reações bioquímicas no organismo.
As enzimas são moléculas que atuam como catalisadores nas reações bioquímicas do organismo, acelerando as reações químicas que ocorrem dentro das células. O controle da atividade enzimática é essencial para garantir que as reações ocorram no momento e na quantidade adequada.
Existem diferentes mecanismos de regulação das enzimas, incluindo a regulação alostérica. As enzimas alostéricas são aquelas que possuem sítios alostéricos, além do sítio ativo, onde ocorre a ligação do substrato. Esses sítios alostéricos podem se ligar a moléculas reguladoras, chamadas de moduladores alostéricos, que podem alterar a atividade da enzima.
O mecanismo de ação das enzimas alostéricas envolve uma mudança conformacional da enzima quando o modulador alostérico se liga ao sítio alostérico. Essa mudança conformacional pode ativar ou inibir a atividade da enzima, regulando assim a velocidade da reação bioquímica.
Um exemplo de enzima alostérica é a enzima desidrogenase lática, que regula a produção de lactato durante o metabolismo energético. A ligação de íons de magnésio ao sítio alostérico da enzima pode aumentar sua atividade, levando a uma maior produção de lactato.
Seu mecanismo de ação envolve a ligação de moduladores alostéricos aos sítios alostéricos das enzimas, alterando sua atividade de acordo com as necessidades celulares.
Entenda o conceito de efeito alostérico e sua importância na regulação de enzimas.
As enzimas alostéricas são enzimas que possuem um sítio alostérico, além do sítio ativo, onde ocorre a ligação do substrato. O sítio alostérico é responsável por receber moléculas reguladoras que podem modular a atividade da enzima. O conceito de efeito alostérico se refere à capacidade dessas moléculas reguladoras de alterar a conformação da enzima, afetando sua atividade catalítica.
O efeito alostérico é de extrema importância na regulação da atividade enzimática, pois permite que as enzimas respondam às condições do ambiente de forma rápida e eficiente. Quando uma molécula reguladora se liga ao sítio alostérico, ela pode estimular ou inibir a atividade da enzima, promovendo um controle fino sobre as vias metabólicas.
Os mecanismos de ação das enzimas alostéricas podem variar, mas geralmente envolvem uma mudança conformacional induzida pela ligação da molécula reguladora. Essa mudança conformacional pode afetar a afinidade da enzima pelo substrato ou sua capacidade catalítica, resultando em uma regulação da velocidade da reação enzimática.
Um exemplo clássico de enzima alostérica é a enzima ATCase, que regula a síntese de pirimidinas nas células. A ATCase é ativada pela ligação de aspartato, um dos substratos da via metabólica, e inibida pela ligação de CTP, um produto final da via. Essa regulação alostérica garante que a síntese de pirimidinas ocorra apenas quando há necessidade celular.
A compreensão desses mecanismos de regulação é essencial para o avanço da bioquímica e para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas.
Enzimas alostéricas: características, mecanismos de ação, exemplos
Uma enzima alostérica (em grego: alo, diferente + estereofônico, espaço tridimensional) é uma proteína na qual ocorrem interações indiretas entre locais topograficamente diferentes, pela união de substratos e moléculas reguladoras (ligantes).
A ligação de um ligante a um local específico é influenciada pela ligação de outro ligante efetor (ou ligante modulador) a um local enzimático (alostérico) diferente. Isso é conhecido como interações alostéricas ou interações cooperativas.
Quando o ligante efetor aumenta a afinidade de ligação de outro ligante à enzima, a cooperatividade é positiva. Quando a afinidade diminui, a cooperatividade é negativa. Se dois ligantes iguais participam da interação cooperativa, o efeito é homotrópico e, se os dois ligantes forem diferentes, o efeito é heterotrópico.
A interação cooperativa produz mudanças reversíveis na estrutura molecular da enzima, no nível da estrutura terciária e quaternária. Essas alterações são conhecidas como alterações conformacionais.
História
O conceito de interação alostérica surgiu há mais de 50 anos. Evoluiu com o tempo, a saber:
-Em 1903, foi observada a curva sigmoidal da ligação da hemoglobina ao oxigênio.
-Em 1910, a curva sigmoidal da ligação do O 2 à hemoglobina foi descrita matematicamente pela equação de Hill.
-Em 1954, Novick e Szilard demonstraram que uma enzima localizada no início de uma via metabólica foi inibida pelo produto final dessa via, que é conhecido como feedback negativo.
-Em 1956, Umbarger descobriu que a L-treonina-desaminase, a primeira enzima na via de biossíntese da L-isoleucina, foi inibida pela L-isoleucina e que não exibia uma cinética típica de Michaelis-Menten com uma curva hiperbólica, Tinha uma curva sigmoidal.
-Em 1963, Perutz et al., Descobertos por raios X, alterações conformacionais na estrutura da hemoglobina quando ligadas ao oxigênio. Monod e Jacob renomearam sites reguladores como “sites alostéricos”.
-Em 1965, Monod, Wyman e Changeux propõem o modelo simétrico, ou modelo MWC (letras iniciais de Monod, Wyman e Changeux) para explicar as interações alostéricas.
-Em 1966, Koshland, Nemethy e Filmer propõem o modelo de acoplamento seqüencial ou induzido, ou modelo KNF, para explicar as interações alostéricas.
– Em 1988, a estrutura de raios X da aspartato transcarbamilase demonstrou o modelo simétrico postulado por Monod, Wyman e Changeux.
– Nos anos 90, mutações, modificações covalentes e alterações de pH foram consideradas efetores alostéricos.
-Em 1996, a estrutura de raios-X do repressor lac demonstrou transições alostéricas.
Mecanismos de ação e exemplos
-Características dos modelos de regulação alostérica MWC e KNF
Modelo MWC
A hipótese original do modelo MWC propôs o seguinte (Monod, Wyman, Changeux, 1965)
As proteínas alostéricas são oligômeros que consistem em protômeros simetricamente relacionados. Os protômeros são constituídos por subunidades ou cadeias polipeptídicas.
Os oligômeros têm pelo menos dois estados de conformação (R e T). Ambos os estados (da estrutura quaternária) estabelecem espontaneamente um equilíbrio, com ou sem ligante ligado.
Quando ocorre a transição de um estado para outro, a simetria é conservada e a afinidade de um site (ou vários) sites estereoespecíficos em relação a um ligante é alterada.
Dessa maneira, a união cooperativa dos ligantes continua a partir da interação cooperativa entre subunidades.
Modelo KNF
A hipótese do modelo KNF propôs o seguinte (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): A ligação ao ligante produz uma alteração na estrutura terciária de uma subunidade. Essa alteração na conformação afeta as subunidades vizinhas.
A afinidade de ligação do ligante proteico depende do número de ligantes mantidos juntos. Portanto, as proteínas alostéricas têm múltiplos estados conformacionais que incluem estados intermediários.
Nas últimas cinco décadas, os modelos MWC e KNF foram avaliados através de estudos bioquímicos e estruturais. Foi demonstrado que numerosas proteínas alostéricas, incluindo enzimas, cumprem o modelo proposto de MWC, embora haja exceções.
O modelo MWC e enzimas alostéricas (ou enzimas reguladoras alostéricas)
As enzimas alostéricas são geralmente maiores e mais complexas que as enzimas não alostéricas. Aspartato transcarbamilase (Asp transcarbamilase ou ATCase) e fosfofructoquinase-1 (PFK-1) são exemplos clássicos de enzimas alostéricas que estão em conformidade com o modelo MWC.
E. coli ATCase
O ATCase catalisa a primeira reação da via de biossíntese de nucleotídeos de pirimidina (CTP e UTP) e usa Asp como substrato. A estrutura do ATCase consiste em subunidades catalíticas e reguladoras. O ATCase possui dois estados conformacionais R e T. A simetria entre esses dois estados é preservada.
A cinética do ATCase (a taxa inicial de ATCase com diferentes concentrações de aspartato) é caracterizada por uma curva sigmóide. Isso indica que o ATCasa tem um comportamento cooperativo.
O ATCase é inibido pelo feedback CTP. A curva sigmóide do ATCase, na presença de CTP, fica à direita da curva sigmóide do ATCase, na ausência de CTP. Um aumento no valor da constante de Michaelis-Menten ( K m ) é evidente .
Ou seja, na presença de CTP, o ATCase requer uma concentração mais alta de aspartato para atingir metade da velocidade máxima ( V max ), em comparação com o ATCase na ausência de CTP.
Em conclusão, a CTP é um efetor alostérico negativo heterotrópico, pois diminui a afinidade do ATCase pelo aspartato. Esse comportamento é conhecido como cooperatividade negativa.
PFK – 1
PFK-1 catalisa a terceira reação da via da glicólise. Essa reação consiste na transferência de um grupo fosfato do ATP para o 6-fosfato de frutose. A estrutura do PFK – 1 é um tetrâmero, que exibe dois estados conformacionais R e T. A simetria entre esses dois estados é preservada.
A cinética da PFK – 1 (a velocidade inicial com diferentes concentrações de frutose 6-fosfato) exibe uma curva sigmóide. O PFK-1 está sujeito a uma complexa regulação alostérica por ATP, AMP e 2,6-bisfosfato de frutas, a saber:
A curva sigmóide do PFK-1, na presença de uma alta concentração de ATP, está à direita da curva sigmóide, em uma baixa concentração de ATP (Figura 4). Um aumento no valor da constante de Michaelis-Menten ( K m ) é evidente .
Em presença de uma concentração elevada de ATP, PFK-1 requer uma maior concentração de frutose-6-fosfato para atingir metade da velocidade máxima ( V max ).
Em conclusão, o ATP, além de ser um substrato, é um efetor alostérico heterotrópico negativo, pois diminui a afinidade de PFK-1 para o fosfato de frutose 6.
A curva sigmóide do PFK-1, na presença de AMP, fica à esquerda da curva sigmóide do PFK-1, na presença de ATP. Ou seja, o AMP elimina o efeito inibitório do ATP.
Na presença de AMP, PFK-1 requer uma menor concentração de frutose-6-fosfato para atingir metade da velocidade máxima ( V max ). Isso se manifesta no fato de que há uma diminuição no valor da constante Michaelis-Menten ( K m ).
Em conclusão, o AMP é um efetor alostérico heterotrópico positivo, porque aumenta a afinidade de ligação do PFK-1 ao 6-fosfato de frutose. Frutosa – 2,6 – bifosfato (F2,6BP) é um potente ativador alostérico da PFK – 1 (Figura 5), e seu comportamento é semelhante ao do AMP.
O modelo MWC é comum, mas não universal
Do total de estruturas proteicas depositadas no PDB (banco de dados de proteínas), metade são oligômeros e a outra metade são monômeros. Foi demonstrado que a cooperatividade não requer múltiplos ligantes, nem a montagem de múltiplas subunidades. É o caso da glucocinase e outras enzimas.
A glicocinase é monomérica, possui uma cadeia polipeptídica e exibe cinética sigmoidal em resposta ao aumento da concentração de glicose no sangue (Porter e Miller, 2012; Kamata et al., 2004).
Existem diferentes modelos que explicam a cinética cooperativa das enzimas monoméricas, a saber: modelo mnemônico, modelo de transição lenta induzido pelo ligante, adição aleatória de substratos em reações biomoleculares, tipos de alterações conformacionais lentas, entre outros.
Estudos da estrutura da glucocinase têm apoiado o modelo mnemônico
glucoquinase humano normal tem um K m de 8 mM de glucose. Este valor está próximo da concentração de glicose no sangue.
Existem pacientes que sofrem de hiperinsulinemia pesada na infância (PHHI). A glucoquinase de estes pacientes têm um K m para a glucose com um valor menor do que glucoquinasas normais e cooperatividade é reduzida significativamente.
Consequentemente, esses pacientes têm uma variante de glucocinase hiperativa, que em casos graves pode ser letal.
Aplicações do alosterismo
Alosteria e catálise estão intimamente ligadas. Por esse motivo, os efeitos alostéricos podem afetar as características da catálise, como ligação ao ligante, liberação do ligante.
Os locais de ligação alostérica podem ser alvos de novos medicamentos. Isso ocorre porque o efetor alostérico pode influenciar a função da enzima. A identificação de sítios alostéricos é o primeiro passo na descoberta de medicamentos que melhoram a função das enzimas.
Referências
- Changeux, JP 2012. Allostery e o modelo Monod-Wyman-Changeux Após 50 anos. Revisão Anual de Biofísica e Estrutura Biomolecular, 41: 103-133.
- Changeux, JP 2013. 50 anos de interações alostéricas: as voltas e reviravoltas dos modelos. Molecular Cell Biology, em Nature Reviews, 14: 1–11.
- Goodey, NM e Benkovic, SJ 2008. A regulação alostérica e a catálise emergem por uma via comum. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
- Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Base estrutural para regulação alostérica da enzima alostérica monomérica glucocinase humana. Structure, 12: 429-438.
- Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Comparação de dados de ligação experimental e modelos teóricos em proteínas contendo subunidades. Bioquímica, 5: 365-385.
- Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Sobre a natureza das transições alostéricas: um modelo plausível. Journal of Molecular Biology, 12: 88-118.
- Nelson, DL e Cox, MM, 2008. Lehninger – Princípios de Bioquímica. WH Freeman and Company, Nova Iorque.
- Porter, CM e Miller, BG 2012. Cooperatividade em enzimas monoméricas com locais de ligação a ligantes únicos. Bioorganic Chemistry, 43: 44–50.
- Voet, D. e Voet, J. 2004. Bioquímica. John Wiley e Filhos, EUA.