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.

Enzimas alostéricas: características, mecanismos de ação, exemplos 1

Exemplo de uma enzima. Fonte: Thomas Shafee [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

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

  1. Changeux, JP 2012. Allostery e o modelo Monod-Wyman-Changeux Após 50 anos. Revisão Anual de Biofísica e Estrutura Biomolecular, 41: 103-133.
  2. Changeux, JP 2013. 50 anos de interações alostéricas: as voltas e reviravoltas dos modelos. Molecular Cell Biology, em Nature Reviews, 14: 1–11.
  3. Goodey, NM e Benkovic, SJ 2008. A regulação alostérica e a catálise emergem por uma via comum. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
  4. 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.
  5. 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.
  6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Sobre a natureza das transições alostéricas: um modelo plausível. Journal of Molecular Biology, 12: 88-118.
  7. Nelson, DL e Cox, MM, 2008. Lehninger – Princípios de Bioquímica. WH Freeman and Company, Nova Iorque.
  8. Porter, CM e Miller, BG 2012. Cooperatividade em enzimas monoméricas com locais de ligação a ligantes únicos. Bioorganic Chemistry, 43: 44–50.
  9. Voet, D. e Voet, J. 2004. Bioquímica. John Wiley e Filhos, EUA.

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