Dinámica de proteínas

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Introducción

Una proteína globular se une a un ligando, un ligando es cualquier, molécula unida a una macromolécula; el termino no se limita a pequeñas moléculas orgánicas tales como el ATP, sino que se extiende a proteínas de bajo peso molecular. Hay un sitio de unión perfectamente definido donde se une el ligando de manera específica y selectiva, este sitio tendrá grupos funcionales que establezcan uniones de tipo débil con el ligando. Se forma un complejo proteína – ligando (ver figura 1), que es reversible excepto en el caso de antígenos y anticuerpos. Si la proteína es una enzima catalizará la reacción en que el ligando es el sustrato, la proteína se une al ligando que se transforma en producto y luego se disocia. Los ligando pueden ser activadores, inhibidores o incluso sustratos de las enzimas. Los ligandos que producen un cambio de actividad enzimática, pero que no se modifican como resultado de la acción enzimática, se denominan efectores, modificadores o moduladores. La mayoría de las enzimas sujetas a modulación por ligandos son enzimas determinantes de la velocidad de rutas metabólicas. Para poder apreciar los mecanismos de control de las rutas metabólicas deben conocerse previamente los principios que gobiernan el comportamiento alostérico y cooperativo de las proteínas.

Función de saturación

La velocidad inicial de una reacción catalizada por una enzima depende de la concentración del sustrato (S), a medida que aumenta la concentración del sustrato, la velocidad inicial aumenta hasta que la enzima esta completamente saturada por el sustrato. Si se representan las velocidades iniciales obtenidas a varias concentraciones de sustrato, se obtiene una hipérbola rectangular (ver figura 2). En general se obtiene una curva rectangular en cualquier proceso que suponga una interacción o fijación de reactivos u otras sustancias a un número específico, pero limitado, de centros. La velocidad de la reacción alcanza un límite máximo en el punto en que todos los centros asequibles están saturados. Para un solo sitio de interacción proteína - ligando tenemos que la proteína P y el sustrato S han de interaccionar de alguna forma para que el sustrato pueda ser convertido en productos. Inicialmente, se forma un complejo entre la proteína y el sustrato:

La constante de velocidad para la formación de este complejo PS se define como y la constante de velocidad para la disociación del complejo PS se define como . El proceso químico en el que se forman o se rompen enlaces tiene lugar en el complejo PS. Se da entonces la conversión de sustrato a productos (L) a partir del complejo PS con una constante de velocidad . Por tanto la ecuación (1) se transforma en:

el equilibrio entre P y S se puede expresar como una constante de afinidad, , solamente si la velocidad de la fase química de la reacción, K3, es pequeña comparada con K2, entonces, . El inverso de la constante de afinidad o de asociación es la constante de disociación, Kd:

La función de saturación Y se define como:

La ecuación anterior es la ecuación de una hipérbola con una asíntota en 1 y el valor máximo de la función de saturación es 1:

Para más de un sitio de unión por proteína, tenemos que primero se ocupa uno y luego el otro, si todos los sitios son iguales hay dos posibilidades: 1. Sitios independientes y 2. Sitios que interaccionan.

1.Sitios independientes: en este caso hay varios sitios iguales debido a que la proteína tiene varias cadenas iguales con un sitio cada una, como son iguales K1=K2 no se puede saber cual se ocupará primero. De esta manera los sitios son independientes porque no hay conexión entre ellos y la ocupación de un sitio tiene la misma constante aunque ya haya otro ocupado. Si la proteína tienen dos sitios de unión Y se tiene:

La fracción y el porcentaje de saturación van unidos a la funcionalidad de la proteína.

2.Sitios que interaccionan: En este caso se produce el efecto llamado cooperatividad en el que cuando se ocupa un sitio activo la unión de un segundo ligando en un sitio igual se ve afectada, siendo favorecida (cooperatividad positiva) o perjudicada (cooperatividad negativa). Para que haya cooperatividad se deben dar una serie de requerimientos.

Cooperatividad

La cooperatividad se define como la influencia que tiene la fijación de un ligando a un protómero sobre la fijación del ligando a un segundo protómero de una proteína oligomérica. La cooperatividad implica generalmente un cambio de conformación de un protómero activado por un efector, el cual a su vez transforma un protómero adyacente en una nueva conformación con una afinidad alterada hacia el ligando efector o hacia un segundo ligando. El cambio conformacional puede ser inducido por un efector alostérico o puede serlo por el sustrato, como sucede en el caso de la hemoglobina, en la que el centro de fijación de oxigeno de cada protómero corresponde al centro del sustrato y no a un centro alostérico. Dentro de los requisitos para que halla cooperatividad se tiene que debe haber varios sitios iguales, por lo tanto varias cadenas iguales y la proteína será oligomérica. Todas las oligoméricas presentan cooperatividad, la mayor parte de las veces positiva. Ahora Y no es una hipérbola sino una curva sigmoidea:

C es el coeficiente de Hill que cuantifica la cooperatividad. Si C = 1 no hay cooperatividad. La cooperatividad será positiva si C varía entre 1 y n y negativa si varía entre 0 y 1. En las proteínas cooperativas al representar Y frente a [S] sale una curva sigmoidea con asíntota en n, al representar Y frente a [S] la asíntota estará en 1. Las proteínas cooperativas son más sensibles a los cambios en la concentración de ligando porque para conseguir una variación en la saturación hay que variar menos la concentración del sustrato porque la entrada de uno favorece la de los demás, esto es importante para la célula porque ahorra espacio. Las subunidades idénticas se denominan protómeros y cada protómero consta de una o más cadenas polipeptídicas. Como consecuencia de la naturaleza oligomérica de las enzimas alostéricos, la fijación de un ligando a un protómero puede afectar a la fijación de ligando sobre los otros protómeros del oligómero. Estos efectos de los ligandos se denominan interacciones homotrópicas.

Interacción homotrópica

Es un efecto de la entrada de un ligando sobre la entrada de otro igual. La mayor parte de las proteínas son cooperativas en la unión del ligando y son casi siempre oligoméricas. La transmisión de los efectos homotrópicos entre protómeros es un aspecto de la cooperatividad y las interacciones homotrópicas son casi siempre positivas.

Interacción heterotrópica

Es el efecto de un ligando sobre la fijación de un ligando diferente. Las interacciones heterotrópicas pueden ser positivas o negativas y pueden tener lugar en enzimas alostéricos monoméricos. Este efecto tiene otros sitios específicos distintos para unir ligandos distintos llamados moduladores o efectores. La acción no se lleva a cabo sobre él sino que puede afectar a la actividad de la proteína de 2 maneras distintas:

• Si el ligando se une mejor: el modulador es un activador que se une en un sitio distinto del activo y favorece la unión del ligando.
• Si el ligando se une peor: el modulador es un inhibidor que perjudica la unión del ligando. Este efecto se llama alostérismo. Las proteínas en las que son necesario un regulamiento presentan una cooperatividad en la unión del ligando y alostérismo porque son dos procesos muy ventajosos. Para que haya alostérismo la proteína no debe ser oligomérica necesariamente Al actuar un activador la curva sigmoidea se desplaza a la izquierda y el límite es la hipérbola, la cooperatividad baja porque mejora la afinidad por el ligando (el efecto del sustrato es menor) y en la hipérbola es nula

Alostérismo

Alostérico proviene del griego allo, que significa “el otro”. Un centro alostérico es una región específica diferente del centro de fijación de sustrato. Los ligandos que se fijan en los centros alostéricos se conocen como efectores o moduladores alostéricos. La fijación del efector alostérico provoca un cambio conformacional de modo que también cambia la afinidad hacia el sustrato u otros ligandos. Los efectores alostéricos positivos (+) incrementan la afinidad de la proteína hacia el sustrato u otro ligando. En el caso de los efectores alostéricos negativos (-) ocurre lo inverso. El centro alostérico donde se une el efector positivo se conoce como centro activador; el efector negativo se une a un centro inhibidor.

La cooperatividad explica la interacción entre los centros de unión de ligando en una proteína oligomérica

La cooperatividad se define como la influencia que tiene la fijación de un ligando a un protómero sobre la fijación del ligando a un segundo protómero de una proteína oligomérica. La cooperatividad implica generalmente un cambio de conformación de un protómero activado por efector, el cual a su vez transforma un protómero adyacente en una nueva conformación con una afinidad alterada hacia el ligando efector o hacia un segundo ligando. El cambio conformacional puede ser inducido por un efector alostérico o puede serlo por el sustrato, como sucede en el caso de la hemoglobina, en la que el centro de fijación de oxigeno de cada protómero corresponde al centro del sustrato y no a un centro alostérico.

Para describir matemáticamente las curvas de saturación de ligando se han propuesto varios modelos de cooperatividad. Los dos modelos más prominentes son el concertado y el de encaje inducido secuencial.

Modelo concertado

Este modelo propone que la proteína solo existe en dos estados, el T (tenso) y el R (relajado)

Los estados T y R están en equilibrio. Los activadores y sustratos favorecen el estado R y desplazan el equilibrio preexistente hacia el estado R, por la ley de acción de masas. Los inhibidores favorecen el estado T. Un cambio conformacional en un protómero provoca un cambio correspondiente en todos los protómeros. Este modelo puede explicar la cooperatividad negativa. Las dos formas existen en ausencia de ligando y la proteína es simétrica, cada subunidad no puede tener conformación distinta a la otra. Todo lo que favorezca la forma R tendrá un efecto positivo sobre la unión del ligando. Al añadir más ligando se va estabilizando la forma R y cada vez hay más.. En la cooperación positiva el ligando se une a la forma R y la estabiliza para que no vuelva a la forma T (como un activador) y en la negativa se estabiliza la forma T.

Modelo secuencial

Este modelo propone que la fijación del ligando induce un cambio conformacional en un protómero. Se induce parcialmente un cambio conformacional en un protómero adyacente contiguo al protómero que contiene el ligando fijado. El efecto de la fijación del ligando se transmite secuencialmente a través del oligómero, dando así lugar a una afinidad creciente o decreciente de los protómeros contiguos hacia el ligando.

El cambio en la conformación está inducido por la entrada del sustrato. Al unirse el ligando cambia la conformación de la otra subunidad, afectando a las interacciones entre las subunidades y permite la unión de otro ligando. Si K2>K1 el efecto es positivo y si es al revés es negativo.

Bibliografía

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