Bioquímica estructural/Regulación enzimática/Control alostérico
El control alostérico se refiere a un tipo de regulación enzimática que implica la unión de una molécula no sustrato, conocida como efector alostérico, en lugares de la enzima distintos del sitio activo. El nombre «allo» significa otro y «estérico» se refiere a una posición en un espacio determinado. En otras palabras, alostérico significa «en otro sitio». Un sitio alostérico es un sitio en el que una pequeña molécula reguladora interactúa con una enzima para inhibir o activar esa enzima específica; que es diferente del sitio activo donde se produce la actividad catalítica. La unión del efector alostérico es en general no covalente y reversible. Por tanto, esta interacción cambia la forma de la enzima que, a su vez, cambia la forma del sitio activo. Este cambio de conformación inhibirá o potenciará la catálisis de una reacción. Así, el control alostérico permite a la célula regular rápidamente las sustancias necesarias mediante la inhibición y o la potenciación.
ATCaseEdit
The enzyme aspartate transcarbamoylase (ATCase) is an allosteric enzyme that catalyzes the first step in the synthesis of pyrimidines.
StructureEdit
ATCase is made of six regulatory subunits and six catalytic subunits. The 3 regulatory subunits (r) are dimers made of 2 chains of 17 kd each. The smaller of the two, the regulatory subunit can bind to CTP and thus shows no catalytic activity. The 2 catalytic subunits (c) are trimers consisting of 3 chains, each 34 kd. The catalytic subunit is unresponsive to CTP thus does not follow a sigmoidal behavior.
- The quaternary structure of ATCase is composed of the two catalytic trimers stacked one on top of another. El efecto inhibidor del CTP, la acción estimuladora del ATP y la unión cooperativa de los subestados van acompañados de grandes cambios en la estructura cuaternaria de la ATCasa.
- Cada cadena r de cada subunidad reguladora se une con una cadena c del trímero catalítico. La región de contacto entre la cadena r y la cadena c está estabilizada por un dominio de zinc unido a residuos de histidina en la cadena r. Todas las cadenas c tienen contacto con la subunidad reguladora.
- El estado T se caracteriza por una baja afinidad por el sustrato y una baja actividad catalítica.
- En la conformación del estado R, hay una separación de 12Å entre los trímeros catalíticos, y una rotación de aproximadamente 10° sobre el eje central. También hay una rotación de aproximadamente 15° por parte de las subunidades reguladoras. La conformación del estado R se caracteriza por un aumento de la concentración de sustrato que incrementa simultáneamente la reactividad de la ATCasa en preparación para la vía enzimática de producción de CTP.
Las subunidades catalítica y reguladora pueden separarse añadiendo primero un compuesto mercurial y luego por ultracentrifugación. Los compuestos mercuriales rompen la conexión porque desplazan el ion Zinc, desestabilizando el dominio de la subunidad r. La reacción no sigue un comportamiento de Michaelis-Menten, sino que produce una curva sigmoidal debido a los cambios de respuesta en la concentración de sustrato a través de la regulación por otras moléculas y de los cambios en la probabilidad de unión. La adición de más sustrato tiene dos efectos al aumentar la probabilidad de que la enzima se una a más de una molécula de sustrato y al aumentar la cantidad media de sustratos unidos a cada enzima. Más sustrato favorece en última instancia el estado R de la ATCasa ya que el equilibrio depende del número de sitios activos que son ocupados por el sustrato lo cual es completamente opuesto al comportamiento de Michaelis-Menten.
CinéticaEditar
Las enzimas alostéricas muestran una cinética sigmoidal en lugar de una cinética de Michaelis-Menton. Esto se debe a que la enzima oscila entre dos estados conformacionales distintos, de forma muy parecida a la hemoglobina.
Activación alostéricaEditar
Al unirse el sustrato al sitio activo situado en el bolsillo entre las cadenas c del trímero, la ATCasa tiene una mayor probabilidad de cambiar al estado R debido a que la unión del sustrato estabiliza el estado R. La unión de sustratos desplaza el equilibrio más hacia el estado R aumentando la probabilidad
de que cada enzima se una y aumentando el número medio de sustratos unidos (cooperatividad).
El ATP también puede unirse al sitio regulador de la ATCasa, pero el ATP no inhibe la actividad de la ATCasa, de hecho el ATP aumenta la actividad de la ATCasa. Así que a altos niveles de ATP, el ATP puede actuar como un competidor, para el sitio regulador, contra el CTP. Así que la actividad de la ATCasa puede aumentar con una mayor concentración de ATP. Este aumento de la actividad puede tener posibles explicaciones fisiológicas. Los altos niveles de ATP significan que hay una alta concentración de nucleótidos de purina, por lo que el aumento de la actividad de la ATCasa aumentará la concentración de pirimidinas. Así, la concentración de purinas y pirimidinas estará más equilibrada. Además, tener mucho ATP en la célula significa tener energía para procesos como la síntesis de ARNm y también la replicación del ADN, por lo que la ATCasa puede aumentar las cantidades de pirimidinas que luego pueden ser utilizadas en estos procesos.
PALAEdit
En presencia de N-(fosfonacetil)-L-asparato (PALA), un análogo del bisustrato que se asemeja al sustrato intermedio en la vía enzimática, PALA inhibe la ATCasa que se une a los sitios activos. Sin embargo, la inhibición reveló el cambio en la estructura cuaternaria tras la unión de PALA. Dos trímeros catalíticos son aislados en sus respectivos estados T y R. Esta inhibición no es alostérica, sino que introduce las subunidades catalíticas que son responsables de la inhibición alostérica de esta vía completa de inhibición por retroalimentación.
Estado T frente a estado RSe sabe que el estado T tensa la molécula, lo que aumenta la cantidad de sustrato necesaria para unirse a la enzima a 1/2 Vmax (Km). El estado T es menos activo y se ve favorecido por la unión del CTP. El efecto del CTP es que el estado T se estabiliza. Esto significa que es más difícil convertir la enzima al estado R. Por otro lado, se sabe que el estado R está más relajado y disminuye la Km. A medida que aumenta la concentración del sustrato, el equilibrio pasará del estado T al estado R. En el estado R, la molécula es más activa, lo que significa que se favorece la unión del sustrato. El efecto del ATP en el estado R es que se estabiliza, lo que facilita la unión de sustratos.
Efectos homotrópicos — efectos del sustrato en las enzimas alostéricas.
Efectos heterotrópicos —Los efectos de las moléculas no sustrato en las enzimas alostéricas como el CTP y el ATP en la ATCasa
Inhibición alostéricaEditar
El trifosfato de citidina (CTP), el producto final de la ATCasa actúa como un regulador alostérico. El carbamoil fosfato y el aspartato se condensan en el intermedio N-carbamoillaspartato que luego forma el CTP. El CTP se une a la cadena r de la subunidad reguladora que no está en contacto con las cadenas c. La unión del CTP estabiliza el estado T y disminuye la afinidad por el sustrato. Aunque el sitio de unión en la subunidad reguladora está distante de la subunidad catalítica, la unión dará lugar a cambios estructurales cuaternarios que promueven la estabilización del estado T y la inhibición. Por lo tanto, hace que la curva sigmoidal se desplace hacia la derecha. La reacción ocurrirá rápidamente a una concentración baja de , pero a concentraciones más altas, el CTP actuará como un inhibidor de la ATCasa por sitios reguladores o alostéricos, no por sitios activos. Este es un ejemplo de retroalimentación negativa, donde el resultado final terminará la reacción inicial. La inhibición por retroalimentación del CTP sobre la ATCasa puede ser revertida por el ATP.
Efectos heterotrópicos — efectos de las moléculas no sustrato sobre la enzima
La tasa de formación del producto N-carbamoilaspartato aumenta a medida que aumenta la concentración de Aspartato. Como tiene carácter cooperativo, se puede ver que su curva tiene la característica sigmodal que significa que la unión del sustrato en un sitio de las moléculas aumenta la afinidad para que los otros sustratos se unan a los otros sitios de unión de las moléculas. La curva sigmodal de la ATCasa incorpora una mezcla de dos curvas de Michaelis-Menten-una con un valor alto de KM (mostrada a través del estado T), la otra con un valor bajo de KM (mostrada a través del estado R). La unión de un sustrato a una subunidad y la consiguiente alteración de todas las demás subunidades se denomina cooperatividad. En la cooperatividad, la unión en un sitio aumenta o disminuye la unión en otro sitio de la enzima. Esto se debe a los cambios conformacionales de los residuos de la subunidad vecina que afectan al cambio de forma de la otra subunidad catalítica. Este proceso es análogo a la forma en que la hemoglobina se une cooperativamente a las moléculas de oxígeno.
MecanismoEdit
La enzima tiene dos sitios activos. Uno es para el sustrato y el otro es para el activador alostérico que está en el sitio regulador. El sitio activo de la enzima no puede unir el sustrato cuando los activadores alostéricos no están unidos al sitio regulador. Por otro lado, si el activador alostérico se une a la enzima, la forma del sitio activo, permite que el sustrato se una permitiendo que se produzcan productos. La enzima permanecerá activa hasta que el activador alostérico abandone la enzima.