Enzimas alostéricas: características, mecanismos de ação, exemplos - Ciência - 2023

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UMA enzima alostérica (do grego: allo, diferente + estéreo, espaço tridimensional) é uma proteína na qual ocorrem interações indiretas entre sítios topograficamente diferentes, pela ligação 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 diferente (alostérico) na enzima. Isso é conhecido como interações alostéricas ou interações cooperativas.

Quando o ligante efetivo 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 idênticos participam da interação cooperativa, o efeito é homotrópico, e se os dois ligantes são diferentes, o efeito é 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.

História

O conceito de interação alostérica surgiu há mais de 50 anos. Evoluiu ao longo do tempo, a saber:

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

- Em 1910, a curva de junção O sigmoidal₂ 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 era inibida pelo produto final dessa via, que é conhecido como feedback negativo.

- Em 1956, Umbarger descobriu que a L-treonina desaminase, a primeira enzima da via de biossíntese da L-isoleucina, foi inibida pela L-isoleucina e que não exibia cinética típica de Michaelis-Menten com uma curva hiperbólica, em vez disso, tinha uma curva sigmoidal.

-Em 1963, Perutz et al., Descoberto por raios-X mudanças conformacionais na estrutura da hemoglobina quando se liga ao oxigênio. Monod e Jacob renomearam os sites regulatórios de "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 propuseram o modelo de acoplamento sequencial ou induzido, ou modelo KNF, para explicar as interações alostéricas.

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

-Na década de 1990, mutações, modificações covalentes e alterações de pH eram consideradas efetores alostéricos.

-Em 1996, a estrutura de raios-X do repressor laca demonstraram transições alostéricas.

Mecanismos de ação e exemplos

-Características dos modelos MWC e KNF de regulação alostérica

Modelo MWC

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

As proteínas alostéricas são oligômeros constituídos por protômeros simetricamente relacionados. Os protômeros são constituídos por cadeias ou subunidades 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 local (ou vários) locais estereoespecíficos para um ligante é alterada.

Dessa forma, a ligação cooperativa dos ligantes decorre da interação cooperativa entre as subunidades.

Modelo KNF

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

A afinidade de ligação do ligante de proteína depende do número de ligantes que ele mantém juntos. Assim, as proteínas alostéricas têm vários estados conformacionais que incluem estados intermediários.

Durante as últimas cinco décadas, os modelos MWC e KNF foram avaliados por meio de estudos bioquímicos e estruturais. Foi demonstrado que inúmeras proteínas alostéricas, incluindo enzimas, atendem ao que é proposto no modelo MWC, embora haja exceções.

O modelo MWC e enzimas alostéricas (ou enzimas regulatórias alostéricas)

As enzimas alostéricas são frequentemente maiores e mais complexas do que as enzimas não alostéricas. Aspartato transcarbamilase (Asp transcarbamilase ou ATCase) e fosfofrutocinase-1 (PFK-1) são exemplos clássicos de enzimas alostéricas que estão em conformidade com o modelo MWC.

AT House of E. coli

ATCase catalisa a primeira reação da via de biossíntese de nucleotídeos de pirimidina (CTP e UTP) e usa Asp como substrato. A estrutura da ATCase consiste em subunidades catalíticas e regulatórias. O ATCase tem dois estados conformacionais R e T. A simetria entre esses dois estados é conservada.

A cinética da ATCase (a taxa inicial da ATCase com diferentes concentrações de aspartato) é caracterizada por uma curva sigmóide. Isso indica que o ATCasa tem um comportamento cooperativo.

ATCase é o feedback inibido pelo CTP. A curva sigmóide de ATCase, na presença de CTP, está à direita da curva sigmóide de ATCase na ausência de CTP. Um aumento no valor da constante de Michaelis-Menten (K_m).

Ou seja, na presença de CTP, ATCase requer uma concentração maior de aspartato para atingir metade da taxa máxima (V_max), em comparação com ATCase na ausência de CTP.

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

PFK - 1

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

A cinética de PFK-1 (a taxa inicial com diferentes concentrações de frutose 6-fosfato) exibe uma curva sigmóide. PFK-1 está sujeito à regulação alostérica complexa por ATP, AMP e frutose-2,6-bifosfato, a saber:

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

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

Em conclusão, o ATP, além de ser um substrato, é um efetor alostérico heterotrópico negativo, pois diminui a afinidade do PFK-1 pela frutose 6-fosfato.

A curva sigmóide de PFK-1, na presença de AMP, fica à esquerda da curva sigmóide de PFK-1 na presença de ATP. Ou seja, o AMP elimina o efeito inibitório do ATP.

Na presença de AMP, PFK-1 requer uma concentração mais baixa de frutose 6-fosfato para atingir a metade da taxa máxima (V_max) Isso se manifesta no fato de que há uma diminuição no valor da constante de Michaelis-Menten (K_m).

Em conclusão, o AMP é um efetor alostérico heterotrópico positivo porque aumenta a afinidade de ligação do PFK-1 para a frutose 6-fosfato. Frutose-2,6-bisfosfato (F2,6BP) é um potente ativador alostérico de PFK-1 (Figura 5), e seu comportamento é semelhante ao do AMP.

O modelo MWC é comum, mas não universal

Do total de estruturas de proteínas 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, ou a montagem de múltiplas subunidades. É o caso da glucoquinase e de outras enzimas.

A glucoquinase é monomérica, tem 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 em enzimas monoméricas, a saber: modelo mnemônico, modelo de transição lenta induzida por ligante, adição aleatória de substratos em reações biomoleculares, tipos de mudanças conformacionais lentas, entre outros.

Estudos da estrutura da glucoquinase apoiaram o modelo mnemônico

A glucoquinase humana normal possui um K_m 8 mM para glicose. Este valor está próximo da concentração de glicose no sangue.

Existem pacientes que sofrem de hiperinsulinemia persistente da infância (PHHI). A glucoquinase desses pacientes tem um K_m para glicose com valor inferior às glucocinases normais e a cooperatividade é significativamente reduzida.

Consequentemente, esses pacientes possuem uma variante da glucoquinase que é hiperativa, que em casos graves pode ser fatal.

Aplicações de alosterismo

Alostria e catálise estão intimamente ligadas. Por causa disso, os efeitos alostéricos podem afetar as características da catálise, como a ligação do ligante e a 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 drogas que aumentam a função enzimática.

Referências

Changeux, J.P. 2012. Allostery e o modelo Monod-Wyman-Changeux após 50 anos. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, 41: 103–133.
Changeux, J.P. 2013. 50 anos de interações alostéricas: as voltas e reviravoltas dos modelos. Molecular Cell Biology, em Nature Reviews, 14: 1-11.
Goodey, N.M. e Benkovic, S.J. 2008. Regulação alostérica e 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 a regulação alostérica da enzima alostérica monomérica glucoquinase humana. Structure, 12: 429–438.
Koshland, D.E. Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Comparação de dados experimentais de ligação e modelos teóricos em proteínas contendo subunidades. Biochemistry, 5: 365-385.
Monod, J., Wyman, J., Changeux, J.P. 1965. Sobre a natureza das transições alostéricas: um modelo plausível. Journal of Molecular Biology, 12: 88-118.
Nelson, D.L. e Cox, M.M., 2008. Lehninger - Principles of Biochemistry. W.H. Freeman and Company, Nova York.
Porter, C.M. e Miller, B.G. 2012. Cooperatividade em enzimas monoméricas com sítios de ligação de ligante único. Bioorganic Chemistry, 43: 44-50.
Voet, D. e Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley and Sons, EUA.