En bioquímica y biología molecular, un sitio de unión es una región de una macromolécula , como una proteína, que se une a otra molécula con especificidad . [1] La pareja de unión de la macromolécula a menudo se denomina ligando . [2] Los ligandos pueden incluir otras proteínas (resultando en una interacción proteína-proteína ), [3] [4] sustratos enzimáticos , [5] segundos mensajeros , hormonas o moduladores alostéricos . [6] El evento vinculante a menudo, pero no siempre, va acompañado de uncambio conformacional que altera la función de la proteína . [7] La unión a los sitios de unión a proteínas suele ser reversible (transitoria y no covalente ), pero también puede ser covalente reversible [8] o irreversible. [9]
Función
La unión de un ligando a un sitio de unión en una proteína a menudo desencadena un cambio en la conformación de la proteína y da como resultado una función celular alterada. Por lo tanto, el sitio de unión en la proteína es una parte crítica de las vías de transducción de señales. [10] Los tipos de ligandos incluyen neurotransmisores , toxinas , neuropéptidos y hormonas esteroides . [11] Los sitios de unión incurren en cambios funcionales en varios contextos, incluida la catálisis enzimática, la señalización de vías moleculares, la regulación homeostática y la función fisiológica. La carga eléctrica , la forma estérica y la geometría del sitio permiten selectivamente que ligandos muy específicos se unan, activando una cascada particular de interacciones celulares de las que la proteína es responsable. [12] [13]
Catálisis
Las enzimas incurren en catálisis al unirse con más fuerza a los estados de transición que los sustratos y productos. En el sitio de unión catalítica, pueden actuar varias interacciones diferentes sobre el sustrato. Estos van desde catálisis eléctrica, catálisis ácida y básica, catálisis covalente y catálisis de iones metálicos. [11] Estas interacciones disminuyen la energía de activación de una reacción química al proporcionar interacciones favorables para estabilizar la molécula de alta energía. La unión enzimática permite una mayor proximidad y exclusión de sustancias irrelevantes para la reacción. Esta unión específica también desalienta las reacciones secundarias. [14] [11]
Los tipos de enzimas que pueden realizar estas acciones incluyen oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas. [15]
Por ejemplo, la transferasa hexoquinasa cataliza la fosforilación de la glucosa para producir glucosa-6-fosfato. Los residuos del sitio activo de la hexoquinasa permiten la estabilización de la molécula de glucosa en el sitio activo y estimulan el inicio de una vía alternativa de interacciones favorables, disminuyendo la energía de activación. [dieciséis]
Inhibición
La inhibición de proteínas por la unión del inhibidor puede inducir una obstrucción en la regulación de la vía, la regulación homeostática y la función fisiológica.
Los inhibidores competitivos compiten con el sustrato para unirse a las enzimas libres en los sitios activos y así impiden la producción del complejo enzima-sustrato al unirse. Por ejemplo, el envenenamiento por monóxido de carbono es causado por la unión competitiva del monóxido de carbono en oposición al oxígeno en la hemoglobina.
Los inhibidores no competitivos , alternativamente, se unen al mismo tiempo que el sustrato en los sitios activos. Tras la unión a un complejo de sustrato enzimático (ES), se forma un complejo inhibidor de sustrato enzimático (ESI). De forma similar a los inhibidores competitivos, también se reduce la velocidad de formación del producto. [5]
Por último, los inhibidores mixtos pueden unirse tanto a la enzima libre como al complejo enzima-sustrato. Sin embargo, a diferencia de los inhibidores competitivos y no competitivos, los inhibidores mixtos se unen al sitio alostérico. La unión alostérica induce cambios conformacionales que pueden aumentar la afinidad de la proteína por el sustrato. Este fenómeno se llama modulación positiva. Por el contrario, la unión alostérica que disminuye la afinidad de la proteína por el sustrato es una modulación negativa. [17]
Tipos
Sitio activo
En el sitio activo, un sustrato se une a una enzima para inducir una reacción química. [18] [19] Los sustratos, estados de transición y productos pueden unirse al sitio activo, así como a cualquier inhibidor competitivo. [18] Por ejemplo, en el contexto de la función de las proteínas, la unión del calcio a la troponina en las células musculares puede inducir un cambio conformacional en la troponina. Esto permite que la tropomiosina exponga el sitio de unión de actina-miosina al que se une la cabeza de miosina para formar un puente cruzado e inducir una contracción muscular . [20]
En el contexto de la sangre, un ejemplo de unión competitiva es el monóxido de carbono que compite con el oxígeno por el sitio activo en el hemo . La alta afinidad del monóxido de carbono puede superar al oxígeno en presencia de una concentración baja de oxígeno. En estas circunstancias, la unión del monóxido de carbono induce un cambio de conformación que desalienta al hemo de unirse al oxígeno, lo que resulta en una intoxicación por monóxido de carbono. [5]
Sitio alostérico
En el sitio regulador, la unión de un ligando puede provocar una función proteica amplificada o inhibida. [5] [21] La unión de un ligando a un sitio alostérico de una enzima multimérica a menudo induce una cooperatividad positiva, es decir, la unión de un sustrato induce un cambio de conformación favorable y aumenta la probabilidad de que la enzima se una a un segundo sustrato. [22] Los ligandos del sitio de regulación pueden involucrar ligandos homotrópicos y heterotrópicos , en los que uno o varios tipos de moléculas afectan la actividad enzimática, respectivamente. [23]
Las enzimas que están altamente reguladas a menudo son esenciales en las vías metabólicas. Por ejemplo, la fosfofructoquinasa (PFK), que fosforila la fructosa en la glucólisis, está regulada en gran medida por ATP. Su regulación en la glucólisis es imperativa porque es el paso de compromiso y limitación de la velocidad de la vía. PFK también controla la cantidad de glucosa designada para formar ATP a través de la vía catabólica . Por lo tanto, a niveles suficientes de ATP, la PFK es inhibida alostéricamente por ATP. Esta regulación conserva de manera eficiente las reservas de glucosa, que pueden ser necesarias para otras vías. El citrato, un intermedio del ciclo del ácido cítrico, también funciona como un regulador alostérico de PFK. [23] [24]
Sitios de unión de una o varias cadenas
Los sitios de unión se pueden caracterizar también por sus características estructurales. Los sitios monocatenarios (de ligandos "monodésmicos", μόνος: único, δεσμό binding: unión) están formados por una única cadena proteica, mientras que los sitios multicatenarios (de ligandos "polidémicos", πολοί: muchos) [25] son frecuentes en proteínas complejos, y están formadas por ligandos que se unen más de una cadena de proteína, típicamente en o proteína interfaces cerca. shows recientes de investigación que la estructura del sitio de unión tiene profundas consecuencias para la biología de los complejos de proteínas (evolución de la función, allostery). [26] [ 27]
Sitios de unión crípticos
Los sitios de unión crípticos son los sitios de unión que se forman transitoriamente en forma de apo o que son inducidos por la unión de ligandos. La consideración de los sitios de unión crípticos aumenta el tamaño del proteoma humano potencialmente " farmacológico " de ~ 40% a ~ 78% de las proteínas asociadas a la enfermedad. [28] Los sitios de unión han sido investigados por: máquina de vectores de soporte aplicada al conjunto de datos "CryptoSite", [28] Extensión del conjunto de datos "CryptoSite", [29] simulación de dinámica molecular de larga escala con el modelo de estado de Markov y con experimentos biofísicos, [30] e índice de sitios crípticos que se basa en el área de superficie relativa accesible . [31]
Curvas vinculantes
Las curvas de unión describen el comportamiento de unión del ligando a una proteína. Las curvas pueden ser caracterizados por su forma, sigmoidal o hiperbólica, que reflejan o no la proteína exhibe cooperativa comportamiento de enlace o no cooperativo respectivamente. [32] Normalmente, el eje x describe la concentración de ligando y el eje y describe la saturación fraccionada de ligandos unidos a todos los sitios de unión disponibles. [5] La ecuación de Michaelis Menten se usa generalmente para determinar la forma de la curva. La ecuación de Michaelis Menten se deriva sobre la base de condiciones de estado estacionario y explica las reacciones enzimáticas que tienen lugar en una solución. Sin embargo, cuando la reacción tiene lugar mientras la enzima está unida a un sustrato, la cinética se desarrolla de manera diferente. [33]
El modelado con curvas de unión es útil cuando se evalúan las afinidades de unión del oxígeno a la hemoglobina y la mioglobina en la sangre. La hemoglobina, que tiene cuatro grupos hemo, exhibe unión cooperativa . Esto significa que la unión de oxígeno a un grupo hemo en la hemoglobina induce un cambio de conformación favorable que permite una mayor preferencia de unión del oxígeno para los siguientes grupos hemo. En estas circunstancias, la curva de unión de la hemoglobina será sigmoidea debido a su mayor preferencia de unión por el oxígeno. Dado que la mioglobina tiene un solo grupo hemo, presenta una unión no cooperativa que es hiperbólica en una curva de unión. [34]
Aplicaciones
Las diferencias bioquímicas entre diferentes organismos y seres humanos son útiles para el desarrollo de fármacos. Por ejemplo, la penicilina mata las enzimas bacterianas al inhibir la transpeptidasa DD , destruyendo el desarrollo de la pared celular bacteriana e induciendo la muerte celular. Por lo tanto, el estudio de los sitios de unión es relevante para muchos campos de investigación, incluidos los mecanismos del cáncer, [35] formulación de fármacos [36] y regulación fisiológica. [37] La formulación de un inhibidor para silenciar la función de una proteína es una forma común de terapia farmacéutica. [38]
En el ámbito del cáncer, los ligandos que se editan para que tengan una apariencia similar al ligando natural se utilizan para inhibir el crecimiento tumoral. Por ejemplo, el metotrexato , un quimioterapéutico , actúa como un inhibidor competitivo en el sitio activo de la dihidrofolato reductasa . [39] Esta interacción inhibe la síntesis de tetrahidrofolato , interrumpiendo la producción de ADN, ARN y proteínas. [39] La inhibición de esta función reprime el crecimiento neoplásico y mejora la psoriasis grave y la artritis reumatoide en adultos . [38]
En las enfermedades cardiovasculares, se utilizan fármacos como los betabloqueantes para tratar a pacientes con hipertensión. Los betabloqueantes ( betabloqueantes ) son agentes antihipertensivos que bloquean la unión de las hormonas adrenalina y noradrenalina a los receptores beta1 y beta2 en el corazón y los vasos sanguíneos. Estos receptores normalmente median la respuesta simpática de "lucha o huida", provocando la constricción de los vasos sanguíneos. [40]
Los inhibidores competitivos también se encuentran en gran medida comercialmente. La toxina botulínica , conocida comercialmente como Botox, es una neurotoxina que causa parálisis flácida en el músculo debido a la unión a nervios dependientes de acetilcolina. Esta interacción inhibe las contracciones musculares, dando la apariencia de músculo liso. [41]
Predicción
Se han desarrollado varias herramientas computacionales para la predicción de la ubicación de los sitios de unión en las proteínas. [21] [42] [43] Estos pueden clasificarse ampliamente en basados en secuencia o basados en estructura. [43] Los métodos basados en secuencias se basan en la suposición de que las secuencias de porciones de proteínas funcionalmente conservadas, como el sitio de unión, se conservan. Los métodos basados en estructura requieren la estructura 3D de la proteína. Estos métodos, a su vez, se pueden subdividir en métodos basados en plantilla y bolsillo. [43] Los métodos basados en plantillas buscan similitudes en 3D entre la proteína diana y las proteínas con sitios de unión conocidos. Los métodos basados en bolsas buscan superficies cóncavas o bolsas enterradas en la proteína diana que poseen características como hidrofobicidad y capacidad de enlace de hidrógeno que les permitiría unir ligandos con alta afinidad. [43] Aunque el término bolsillo se usa aquí, se pueden usar métodos similares para predecir los sitios de unión utilizados en las interacciones proteína-proteína que generalmente son más planas, no en los bolsillos. [44]
Referencias
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enlaces externos
- Sitios de encuadernación en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
- Dibujar el sitio activo de una enzima