Características de enzimas características, mecanismos de ação, exemplos

A Enzima alostérica (Do grego: Allo, Diferente + Estreos, espaço tridimensional) é uma proteína na qual as interações indiretas são produzidas entre locais topograficamente diferentes, pela união de substratos e moléculas regulatórias (ligantes).

A união de um ligante para um local específica é influenciada pela união de outro ligante efetor (ou modulando ligante) para outro local diferente (alostérico) da enzima. Isso é conhecido como interações alestais ou interações cooperativas.

Exemplo de uma enzima. Fonte: Thomas Shafee [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)]

Quando o ligante efetor aumenta a afinidade da união de outro ligante à enzima, a cooperativa é positiva. Quando a afinidade diminui a cooperativa é negativa. Se dois ligantes iguais participam da interação cooperativa, o efeito é homotrópico e se os dois ligantes forem diferentes, o efeito será heterotrópico.

A interação cooperativa produz mudanças reversíveis na estrutura molecular da enzima, no nível da estrutura terciária e quaternária. Essas mudanças são conhecidas como mudanças conformacionais.

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História

O conceito de interação Alestric surgiu há mais de 50 anos. Ele evoluiu com o tempo, a saber:

-Em 1903, foi observada a curva sigmoidal da hemoglobina de oxigênio.

-Em 1910, a curva sigmoidal da união de O₂ A hemoglobina foi descrita matematicamente pela equação de Hill.

-Em 1954, Novick e Szilard mostraram que uma enzima localizada no início de uma via metabólica foi inibida pelo produto final dessa rota, que é conhecida como feedback negativo.

-Em 1956, Umbarger descobriu que o desgosto de L-Treonine, a primeira enzima da biossíntese de L-isoleucina, foi inibido pela L-isoleucina e que não exibiu uma cinética típica de Michaelis-Mente com uma curva hiperbólica, mas que havia uma curva sigmoidal.

-Em 1963, Perutz et al., Eles descobriram por raios X mudanças conformacionais na estrutura da hemoglobina ao se ligar ao oxigênio. Monod e Jacob renomearam os locais regulatórios como "sites alestéricos".

-Em 1965, Monod, Wyman e Changex propõem o modelo simétrico, ou modelo MWC (letras iniciais de Monod, Wyman e Changeux) para explicar as interações alestéricas.

-Em 1966, Koshland, Nemethy e Filler propõem o modelo de acoplamento sequencial ou induzido, ou modelo KNF, para explicar as interações alestericas.

-Em 1988, a estrutura de raios X do aspartato de Transcarbamilasa demonstrou o modelo simétrico postulado por Monod, Wyman e Changeux.

-Na década de 1990, mutações, modificações covalentes e alterações de pH foram consideradas como efetores alostéticos.

-Em 1996, a estrutura de raio X LACA Transições demonstradas para o theosterico.

Mecanismos de ação e exemplos

-Características dos modelos MWC e KNF da regulação alostérica

Modelo MWC

A hipótese do modelo MWC original propôs o seguinte (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

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As proteínas alostéticas são oligômeros constituídos por protômeros simetricamente relacionados. Os protômeros são compostos de 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 vincular.

Quando a transição de um estado para outro ocorre, a simetria é preservada e a afinidade de um local (ou vários) especificados em direção a um ligante é alterada.

Dessa forma, a união cooperativa dos Ligandos continua a partir da interação cooperativa entre subunidades.

Modelo KNF

A hipótese do modelo KNF propôs o seguinte (Koshland, Nemethy, filmador, 1966): a união de ligação produz uma mudança na estrutura terciária em uma subunidade. Esta mudança de conformação afeta as subunidades vizinhas.

A afinidade de ligação ao ligante de proteínas depende do número de ligantes que se mantêm juntos. Portanto, as proteínas teosticas têm vários estados conformacionais que incluem estados intermediários.

Nas últimas cinco décadas, os modelos MWC e KNF foram avaliados por estudos bioquímicos e estruturais. Foi demonstrado que numerosas proteínas alestéricas, incluindo enzimas, cumprem o que é proposto no modelo MWC, embora haja exceções.

O modelo MWC e as enzimas alestéricas (ou enzimas regulatórias)

As enzimas alostéticas são frequentemente maiores e mais complexas que as enzimas não -alestéricas. A aspartato de transcarbamilase (Aspcarbamilasa ou Atcasa) e Phosfofrucka-1 (PFK-1) são exemplos clássicos de enzimas alestéricas que atendem ao modelo MWC.

ATCASA de E. coli

A ATCASA catalisa a primeira reação da biossíntese de nucleotídeos de pirimidina (CTP e UTP) e usa asp como substrato. A estrutura da ATCASA consiste em subunidades catalíticas e regulatórias. Atcasa tem dois estados conformacionais r e t. A simetria entre esses dois estados é preservada.

A cinética de Atcasa (a velocidade inicial do ATCAS. Isso indica que o ATCASA tem um comportamento cooperativo.

ATCASA é inibida pelo feedback da CTP. A curva sigmóide de Atcasa, na presença de CTP, está à direita da curva sigmóide da ATCA. Um aumento no valor da Michaelis-Mindly Constant (K_m).

Isto é, na presença de CTP, ATCAV_Máx), Comparado ao ATCASA na ausência de CTP.

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Em conclusão, o CTP é um efetor negativo heterotrópico porque a afinidade da ATCASA pelo aspartato diminui. Este comportamento é conhecido como cooperatividade negativa.

PFK-1

O PFK-1 catalisa a terceira reação da via da glicólise. Esta reação consiste na transferência de um grupo de fosfato do ATP para a frutose de 6 fosfato. A estrutura do PFK-1 é um tetrâmetro, que exibe dois estados conformacionais r e t. A simetria entre esses dois estados é preservada.

A cinética do PFK-1 (a velocidade inicial com diferentes concentrações de 6-fosfato frutose) exibe uma curva sigmóide. O PFK-1stá sujeito a uma regulação alostica complexa por ATP, AMP e Frutosa-2,6-bifosfato, a saber::

A curva sigmóide do PFK-1, na presença de uma alta concentração de ATP, está à direita da curva sigmóide na baixa concentração de ATP (Figura 4). Um aumento no valor da Michaelis-Mindly Constant (K_m).

Na presença de uma alta concentração de ATP, o PFK-1 requer uma maior concentração de frutose de 6 fosfato para atingir metade da velocidade máxima (V_Máx).

Em conclusão, o ATP, além de ser um substrato, é um alostroérico heterotrópico negativo.

A curva sigmóide do PFK-1, na presença de AMP, está localizada à esquerda da curva sigmóide do PFK-1 na presença de ATP. Isto é, o amplificador elimina o efeito do inibidor de ATP.

Na presença de AMP, o PFK-1 requer uma menor concentração de frutose de 6-fosfato para atingir metade da velocidade máxima (V_Máx). Isso se manifesta no fato de que há uma diminuição no valor da constante de Michaelis -Mente (K_m).

Em conclusão, o amplificador é um alostroarista heterotrópico positivo porque a afinidade da união PFK-1 aumenta pela frutose de 6-fosfato. Frutosa-2,6-bifosfato (F2.6bp) é um poderoso ativador alostico do PFK-1 (Figura 5), ​​e seu comportamento é semelhante ao do amplificador.

O modelo MWC é comum, mas não universal

Das estruturas totais de proteínas depositadas no PDB (Protein Data Bank), metade são oligômeros e a outra metade são monômeros. Foi demonstrado que a cooperatividade não precisa de vários ligantes ou múltiplas subunidades montagens. Este é o caso da glicoquinase e de outras enzimas.

A glucoquinase é monomérica, possui uma cadeia polipeptídica e exibe uma cinética sigmoidal em resposta ao aumento da concentração de glicose no sangue (Porter e Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

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Existem diferentes modelos que explicam a cinética cooperativa em enzimas monoméricas, a saber: modelo mnemônico, modelo de transição induzido por lento induzido por lento, adição randomizada de substratos em reações biomoleculares, tipos de alterações conformacionais lentas, entre outros.

Estudos de estrutura da glicoquinase apoiaram o modelo mnemônico

A glicocinase humana normal tem um K_m 8 mm para glicose. Este valor está próximo da concentração de glicose no sangue.

Existem pacientes que sofrem de hiperinsulinemia pessista da infância (sigla em inglês, phhi). A glicokinase desses pacientes tem um K_m Para glicose com um valor mais baixo que as glicocinas normais, e a cooperativa é importante.

Consequentemente, esses pacientes têm uma variante de glicokinase que é hiperativa, que em casos graves pode ser letal.

Aplicações de alosterismo

Alostería e catálise estão intimamente ligados. Por esse motivo, os efeitos alestéricos podem afetar as características da catálise, como a ligação do ligante, liberação do ligante.

Os sites da União Alestica podem ser alvos de novos medicamentos. Isso se deve ao fato de o efetor alcalador poder influenciar a função da enzima. A identificação de locais alostéticos é o primeiro passo para a descoberta de medicamentos que melhoram a função das enzimas.

Referências

1. Changeux, J.P. 2012. Allostery e o modelo Monod-Wyman-Changeux após 50 anos. Revisão anual de biofísica e estrutura biomolecular, 41: 103-133.
2. Changeux, J.P. 2013. 50 anos de interações alostéricas: as reviravoltas dos modelos. Molecular Cell Biology, In Nature Reviews, 14: 1-11.
3. Goodey, n.M. e Benkovic, S.J. 2008. A regulação e a catálise alostérica surgem via rota comum. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, k., Mitsuya, m., Nishimura, t., Eiki, Jun-Hichi, Nagata e. 2004. Base estrutural para a regulação alostérica da enzima alostérica monomérica. Estrutura, 12: 429-438.
5. Koshland, d.E. Jr., Nemethy, g., Filvador, d. 1966. Comparação de dados de ligação experimental e modelos teóricos em proteínas. Bioquímica, 5: 365-385.
6. Monod, j., Wyman, J., Changeux, J.P. 1965. Sobre a natureza das transições alostéricas: para o modelo plausível. Journal of Molecular Biology, 12: 88-118.
7. Nelson, d.eu. e Cox, M.M., 2008. Lehninger-princípios da bioquímica. C.H. Freeman and Company, Nova York.
8. Porter, c.M. e Miller, B.G. 2012. Cooperatividade em enzimas monoméricas com sites de ligação ao ligante único. Química Bioorgânica, 43: 44-50.
9. Voet, d. e Voet, J. 2004. Bioquímica. John Wiley e Sons, EUA.