În biochimie , reglarea alosterică (sau controlul alosteric ) este reglarea unei enzime prin legarea unei molecule efectoare la un alt situs decât locul activ al enzimei [1] .
Locul de care se leagă efectorul se numește situs alosteric sau situs reglator . Siturile alosterice permit efectorilor să se lege de o proteină, conducând adesea la modificări conformaționale asociate cu dinamica proteinelor. Efectorii care cresc activitatea unei proteine sunt numiți activatori alosterici , în timp ce cei care scad activitatea unei proteine sunt numiți inhibitori alosterici .
Reglarea alosterică este un exemplu natural de bucle de control, cum ar fi feedback -ul de la produsele din aval sau feedforward de la substraturile inițiale. Aloteria pe distanță lungă este deosebit de importantă pentru semnalizarea celulară [2] . Reglarea alosterică este, de asemenea, deosebit de importantă pentru capacitatea celulei de a regla activitatea enzimatică .
Termenul alosterie provine din grecescul antic allos (ἄλλος), „altul” și stereos (στερεὀς), „corp solid (obiect)”. Aceasta se referă la faptul că locul de reglare al unei proteine alosterice este fizic diferit de locul său activ.
Multe efecte alosterice pot fi explicate prin modelul MWC consistent propus de Monod, Wyman și Changeo [ 3] , sau prin modelul consistent (cunoscut și ca model KNF) descris de Koshland, Nemethyte și Filmer [4] . Ambele modele postulează că subunitățile proteice există într-una din cele două conformații , tensionate (T-tensionate) sau relaxate (R-relaxate) și că subunitățile relaxate se leagă de substrat mai ușor decât subunitățile aflate într-o stare tensionată. Cele două modele diferă cel mai mult în ipotezele lor despre interacțiunea subunităților și preexistența ambelor stări. Pentru proteinele în care subunitățile există în mai mult de două conformații , poate fi utilizat modelul peisaj al alosteriei descris de Cuende, Weinstein și LeVine [5] .
Modelul de consens al alosteriei, numit și modelul de simetrie sau modelul MWC, postulează că subunitățile enzimatice sunt legate în așa fel încât modificările conformaționale dintr-o subunitate sunt în mod necesar transmise tuturor celorlalte subunități. Astfel, toate subunitățile trebuie să existe în aceeași conformație. Modelul mai precizează că, în absența oricărui ligand (substrat sau altul), echilibrul favorizează una dintre stările conformaționale, T sau R. Echilibrul poate fi mutat în starea R sau T prin legarea unui ligand (efector alosteric sau ligand). ) către un alt sit decât cel activ (situs alosteric).
Modelul secvenţial de reglare alosterică afirmă că subunităţile nu sunt legate în aşa fel încât modificările conformaţionale într-una să provoace modificări similare în altele. Astfel, toate subunitățile unei enzime nu necesită aceeași conformație. Mai mult, modelul secvenţial dictează că moleculele de substrat se leagă printr-un protocol de potrivire indusă . Deși o astfel de potrivire indusă mută o subunitate dintr-o stare tensionată într-o stare relaxată, ea nu propaga schimbarea conformațională la subunitățile învecinate. În schimb, legarea de substrat a unei subunități modifică doar puțin structura celorlalte subunități, astfel încât locurile lor de legare sunt mai sensibile la substrat.
Rezumat:
Modelul morfinei de reglare alosterică este un model de consens disociativ [6] .
Morfeina este o structură homooligomerică care poate exista ca un ansamblu de ansambluri cuaternare alternative semnificative din punct de vedere fiziologic și distincte funcțional. Tranzițiile între ansambluri alternative de morfeină includ disocierea oligomerilor, modificări conformaționale în starea disociată și reasamblarea pentru a forma un alt oligomer. Etapa necesară de dezasamblare a oligomerului distinge modelul morfeinei pentru reglarea alosterică de modelele clasice MWC și KNF.
Porfobilinogen sintaza (PBGS) este prototipul morfeinei.
Modelele de ansamblu de reglare alosterică enumeră ansamblul statistic al sistemului alosteric în funcție de funcția sa de energie potențială și apoi asociază măsurătorile statistice specifice ale alosteriei cu anumite condiții energetice în funcția energetică (cum ar fi o punte de sare intermoleculară între două domenii) [7] . Modelele de ansamblu, cum ar fi modelul alosteric de ansamblu [8] și modelul alosteric Ising [9] , presupun că fiecare regiune a sistemului poate presupune două stări, similar modelului MWC. Modelul peisaj alosteric introdus de Cuendet, Weinstein și LeVine [5] permite domeniilor să aibă orice număr de stări, iar contribuția unei anumite interacțiuni moleculare la o anumită interacțiune alosterică poate fi estimată folosind un set strict de reguli. Modelarea dinamicii moleculare poate fi utilizată pentru a estima ansamblul statistic al unui sistem, astfel încât acesta să poată fi analizat cu un model de alosterizare a peisajului.
Modularea alosterică este utilizată pentru a modifica activitatea moleculelor și a enzimelor în biochimie și farmacologie. Prin comparație, un medicament tipic este conceput pentru a se lega de situsul activ al unei enzime, prevenind astfel legarea substratului de acea enzimă, determinând o scădere a activității enzimei. Modulația alosterică are loc atunci când un efector se leagă de situsul alosteric (cunoscut și sub denumirea de situs regulator) al unei enzime și modifică activitatea enzimei. Modulatorii alosterici sunt proiectați să se potrivească cu un situs alosteric pentru a provoca o modificare conformațională a enzimei, în special o schimbare a formei situsului activ, care apoi provoacă o schimbare a activității sale. Spre deosebire de medicamentele convenționale, modulatorii nu sunt inhibitori competitivi . Ele pot fi pozitive (activatoare), determinând o creștere a activității enzimatice, sau negative (inhibitoare), determinând o scădere a activității enzimatice. Utilizarea modulării alosterice face posibilă controlul efectelor activității enzimatice specifice; ca urmare, modulatorii alosterici sunt foarte eficienți în farmacologie [10] . Într-un sistem biologic, modularea alosterică este dificil de distins de modularea prin reprezentarea substratului .
Un exemplu al acestui model este Mycobacterium tuberculosis , o bacterie care este adaptată în mod ideal la viața în macrofagele umane. Siturile enzimatice servesc ca o legătură între diferite substraturi. În special, între AMF și G-6-F . Astfel de situsuri servesc și ca mecanism pentru determinarea eficienței enzimei [11] .
Modulația alosterică pozitivă (cunoscută și ca activare alosterică ) apare atunci când legarea unui ligand crește atracția dintre moleculele substratului și alte situsuri de legare. Un exemplu este legarea moleculelor de oxigen de hemoglobină , unde oxigenul este efectiv atât un substrat , cât și un efector. Locul alosteric sau „altul” este locul activ al unei subunități proteice adiacente . Legarea oxigenului la o subunitate determină o schimbare conformațională în acea subunitate, care interacționează cu situsurile active rămase pentru a crește afinitatea lor pentru oxigen. Un alt exemplu de activare alosterică este văzut în 5'-nucleotidaza II (cN-II) specifică citosolică IMP-GMP, unde afinitatea pentru substratul GMP este crescută prin legarea GTP la interfața dimerului.
Modulația alosterică negativă (cunoscută și ca inhibare alosterică ) apare atunci când legarea unui ligand reduce afinitatea pentru un substrat la alte situsuri active. De exemplu, atunci când 2,3-BPG se leagă de situsul alosteric al hemoglobinei, afinitatea pentru oxigen a tuturor subunităților scade. Acest lucru se întâmplă atunci când regulatorul nu este prezent în locul de legare.
Inhibitorii direcți ai trombinei sunt un exemplu excelent de modulare alosterică negativă. Au fost descoperiți inhibitori alosterici ai trombinei care pot fi utilizați potențial ca anticoagulante.
Un alt exemplu este stricnina , o otravă convulsivă care acționează ca un inhibitor alosteric al receptorului de glicină . Glicina este neurotransmițătorul inhibitor major în măduva spinării și trunchiul cerebral al mamiferelor. Stricnina acționează la un loc separat de legare pe receptorul glicină într-o manieră alosterică; adică legarea sa reduce afinitatea receptorului de glicină pentru glicină. Astfel, stricnina inhibă acțiunea neurotransmițătorului inhibitor, ceea ce duce la convulsii.
Un alt exemplu în care se poate observa modularea alosterică negativă este relația dintre ATP și enzima fosfofructokinaza din bucla de feedback negativ care reglează glicoliza . Fosfofructokinaza (denumită în mod obișnuit FFK ) este enzima care catalizează a treia etapă a glicolizei: fosforilarea fructozei-6-fosfatului în fructoză-1,6-bifosfatului . PFK poate fi suprimată alosteric de niveluri ridicate de ATP din celulă. Când nivelurile de ATP sunt ridicate, ATP se va lega de situsul alostor al fosfofructokinazei , determinând modificarea formei tridimensionale a enzimei. Această modificare determină o scădere a afinității sale pentru substrat ( fructoză-6-fosfat și ATP ) la locul activ și enzima devine inactivă. Acest lucru face ca glicoliza să înceteze atunci când nivelurile de ATP sunt ridicate, conservând glucoza în organism și menținând un nivel echilibrat de ATP celular. Astfel, ATP servește ca un modulator alosteric negativ pentru PPK, chiar dacă este și un substrat pentru enzimă.
Un modulator alosteric homotrop este un substrat pentru proteina sa țintă , precum și o moleculă de reglare a activității proteinei. De obicei este un activator proteic [1] . De exemplu, O2 și CO sunt modulatori alosterici homeotropi ai hemoglobinei . În mod similar, în 5'-nucleotidaza specifică IMP/GMP, legarea unei molecule GMP la o singură subunitate de enzimă tetramerică are ca rezultat o creștere a afinității GMP a subunităților ulterioare, așa cum se arată în graficele substratului sigmoid versus rata.
Un modulator alosteric heterotrop este o moleculă reglatoare care nu este un substrat enzimatic. Poate fi un activator sau un inhibitor al enzimei. De exemplu, H + , C2 și 2,3 - bisfosfogliceratul sunt modulatori alosterici heterotropi ai hemoglobinei [12] . Din nou, într-o 5’-nucleotidază specifică IMP/GMP, legarea unei molecule GTP la interfața dimerului într-o enzimă tetramerică are ca rezultat o creștere a afinității pentru substratul GMP în situsul activ, indicând activarea alosterică heterotropă de tip K. [unu]
După cum este detaliat mai sus, unele proteine alosterice pot fi reglate atât de substraturile lor, cât și de alte molecule. Astfel de proteine sunt capabile atât de interacțiuni homotrope, cât și heterotrope [1] .
Unii activatori alosterici sunt numiți activatori „esențiali” sau „obligatori” în sensul că, în absența lor, activitatea enzimei lor țintă este foarte scăzută sau neglijabilă, așa cum este cazul activității N-acetilglutamatului împotriva carbamoil fosfat sintetazei I, pt. exemplu [13] [14] .
Un situs alosteric nereglator este orice componentă nereglatoare a unei enzime (sau a oricărei proteine) care nu este ea însăși un aminoacid. De exemplu, multe enzime necesită legarea de sodiu pentru a funcționa corect. Cu toate acestea, sodiul nu acționează neapărat ca o subunitate de reglementare; sodiul este întotdeauna prezent și nu sunt cunoscute procese biologice de adăugare/eliminare a sodiului care să regleze activitatea enzimelor. Alosteria non-reglementare poate conține alți ioni decât sodiu (calciu, magneziu, zinc), precum și alte substanțe chimice și eventual vitamine.
Modularea receptorului alosteric rezultă din legarea modulatorilor alosterici la un situs diferit (situs de reglare) decât situsul ligandului endogen ( situs activ ) și sporește sau inhibă efectele ligandului endogen. În condiții normale, acționează provocând o modificare conformațională a moleculei receptorului, rezultând o modificare a afinității de legare a ligandului. Astfel, ligandul alosteric modulează activarea receptorului de către ligandul său ortosteric primar și, după cum se poate presupune, acționează ca un întrerupător de intensitate în circuitul electric, reglând intensitatea răspunsului.
De exemplu, receptorul GABA A are două situsuri active care leagă neurotransmițătorul acid gamma-aminobutiric (GABA), dar are și locuri de legare care reglează benzodiazepina și un anestezic general. Fiecare dintre aceste situsuri de reglare poate produce modulație alosterică pozitivă, sporind activitatea GABA. Diazepamul este un modulator alosteric pozitiv la nivelul benzodiazepinei, iar antidotul său flumazenil este un antagonist .
Exemple mai recente de medicamente care își modulează alosteric țintele includ cinacalcet, care imită calciul și maraviroc , care este utilizat în tratamentul HIV.
Locurile alosterice pot reprezenta o nouă țintă de medicament. Există o serie de avantaje în utilizarea modulatorilor alosterici ca agenți terapeutici preferați față de liganzii ortosterici clasici. De exemplu, situsurile de legare alosterică a receptorului proteinei G (GPCR) nu s-au confruntat cu aceeași presiune evolutivă ca și situsurile ortosterice pentru a găzdui ligand endogen, deci sunt mai diverse [15] . Prin urmare, se poate obține o selectivitate mai mare GPCR prin țintirea site-urilor alosterice. Acest lucru este util în special pentru GPCR, unde terapia ortosterică selectivă a fost dificilă datorită conservării secvenței situsului ortosteric pentru toate subtipurile de receptori [16] . În plus, acești modulatori au un potențial redus de efecte toxice, deoarece modulatorii cu interacțiune limitată vor avea un nivel maxim de acțiune, indiferent de doza administrată. Un alt tip de selectivitate farmacologică care este unică pentru modulatorii alosterici se bazează pe cooperare. Un modulator alosteric poate prezenta cooperare neutră cu un ligand ortosteric pe toate subtipurile unui receptor dat, cu excepția subtipului de interes, care este denumit „selectivitate subtip absolută”. Dacă modulatorul alosteric nu este eficient în mod apreciabil, acesta poate oferi un alt avantaj terapeutic puternic față de liganzii ortosterici, și anume capacitatea de a regla selectiv în sus sau în jos răspunsurile tisulare numai în prezența unui agonist endogen. Locurile de legare a moleculelor mici specifice pentru oligomeri sunt ținte medicamentoase pentru morfinele importante din punct de vedere medical [17] .
Există mulți compuși sintetici care conțin mai multe situsuri de legare necovalente care prezintă modificări conformaționale atunci când un loc este ocupat. Cooperarea dintre contribuțiile de legare unică în astfel de sisteme supramoleculare este pozitivă dacă ocuparea unui sit de legare crește afinitatea ΔG la al doilea situs și negativă dacă afinitatea nu crește. Majoritatea complecșilor alosterici sintetici se bazează pe o reorganizare conformațională la legarea unui ligand efector, care conduce apoi la creșterea sau scăderea asocierii celui de-al doilea ligand cu un alt situs de legare [18] [19] [20] . Legarea conformațională între mai multe site-uri de legare în sistemele artificiale este de obicei mult mai mare decât în proteine, cu flexibilitatea lor de obicei mai mare. Parametrul de eficiență (măsurat prin raportul constantelor de echilibru Krel = KA(E)/KA în prezența și absența efectorului E) este energia conformațională necesară pentru adoptarea unei conformații închise sau tensionate pentru legarea ligandului A [21] .
În multe sisteme supramoleculare polivalente [22] , poate apărea interacțiune directă între liganzii legați, ceea ce poate duce la o interacțiune mare. O astfel de interacțiune directă între ioni este cea mai frecventă în receptorii perechilor de ioni [23] [24] . Această cooperare este adesea denumită și alosterie, deși modificările conformaționale aici nu declanșează neapărat evenimente de legare.
Alosteria este un mijloc direct și eficient de reglare a funcției macromoleculelor biologice care rezultă din legarea unui ligand la un situs alosteric care este topografic diferit de situsul ortosteric. Din cauza selectivității adesea ridicate a receptorilor și a toxicității mai mici legate de țintă, se așteaptă ca reglarea alosterică să joace un rol din ce în ce mai mare în descoperirea medicamentelor și bioinginerie. Baza de date AlloSteric (ASD, http://mdl.shsmu.edu.cn/ASD ) [25] oferă o resursă centrală pentru afișarea, căutarea și analiza structurii, funcției și adnotărilor aferente pentru moleculele alosterice. În prezent, ASD conține mai mult de 100 de tipuri de proteine alosterice și trei categorii de modulatori (activatori, inhibitori și regulatori). Fiecare proteină este adnotată cu o descriere detaliată a alosteriei, a procesului biologic și a bolilor asociate, iar fiecare modulator este adnotat cu afinitatea de legare, proprietățile fizico-chimice și zona terapeutică. Integrarea informațiilor despre proteinele alosterice în RAS ar trebui să permită prezicerea alosteriei pentru proteinele necunoscute cu verificarea experimentală ulterioară. În plus, modulatorii pregătiți la ASD pot fi utilizați pentru a explora potențiale ținte alosterice pentru un anumit compus și pot ajuta chimiștii să implementeze modificări ale structurii pentru a dezvolta noi medicamente alosterice.
Nu toate reziduurile proteice joacă un rol la fel de important în reglarea alosterică. Identificarea reziduurilor necesare pentru alosterizare (așa-numitele „reziduuri alosterice”) a fost în centrul multor studii, în special în ultimul deceniu [26] [27] [28] [29] [30] [31] [ 32] [33] . Parțial, acest interes în creștere este rezultatul importanței lor generale în știința proteinelor, dar și pentru că reziduurile alosterice pot fi utilizate în contexte biomedicale. Proteinele importante din punct de vedere farmacologic cu situsuri care sunt dificil de țintit pot face loc abordărilor în care se țintesc alternativ reziduuri mai ușor de accesat care sunt capabile să regleze alosteric situsul primar de interes [34] . Aceste reziduuri pot fi clasificate în linii mari ca aminoacizi alosterici de suprafață și interni. Locurile alosterice de la suprafață joacă de obicei un rol de reglare fundamental diferit de cele din interior; reziduurile de suprafață pot servi ca receptori sau locuri efectoare în semnalizarea alosterică, în timp ce cele din interior pot acționa în astfel de semnalizare [35] .
| Enzime | |
|---|---|
| Activitate | |
| Regulament | |
| Clasificare | |
| Tipuri |
|