Bioquímica estructural/Función de la proteína/Sitios de unión/Cooperatividad

La unión cooperativa puede producir cooperatividad negativa, cooperatividad positiva, cooperatividad heterotrópica y cooperatividad homotrópica.

Cooperatividad negativaEditar

Un ejemplo de cooperatividad negativa es la disminución de la afinidad de unión una vez que uno de los sitios está unido. A medida que los ligandos se unen a la proteína, la afinidad de la proteína por el ligando disminuye. Por ejemplo, la relación entre el gliceraldehído-3-fosfato y la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa es un claro ejemplo de este proceso.

Cooperatividad positivaEditar

La hemoglobina está formada por cuatro subunidades. Si una subunidad se une al oxígeno, aumenta la posibilidad de que las otras tres hagan lo mismo.

Un ejemplo de cooperatividad positiva puede verse cuando un sustrato se une a una enzima con múltiples sitios de unión y los otros sitios de unión se ven afectados por este cambio.

Este comportamiento se ve en la unión del oxígeno a la hemoglobina para formar oxihemoglobina. La hemoglobina está formada por cuatro subunidades, dos alfa y dos beta. Se juntan para formar un tetrámero, cada subunidad tiene su propio sitio activo para unirse al oxígeno. Este sitio activo contiene una estructura de anillo de porfirina con un átomo de hierro en el centro. Cuando la subunidad no está unida a un oxígeno, el hierro está aproximadamente 0,4 A por debajo del plano del anillo. Cuando el tetrámero se encuentra en este estado, se considera que está en el estado T o estado tenso.

El estado R, o estado relajado ocurre cuando la hemoglobina se ha unido al oxígeno. La desoxihemoglobina, o estado T, tiene una baja afinidad por el oxígeno. Sin embargo, cuando una molécula se une a un solo hemo, la afinidad por el oxígeno aumenta, lo que permite que las siguientes moléculas se unan más fácilmente de forma sucesiva. Esto ocurre cuando el hierro unido al oxígeno se levanta para situarse en el mismo plano que el anillo. Esto obliga a que el residuo de histidina al que está unido también se mueva, lo que a su vez obliga a la hélice alfa a la que está unida la histidina a moverse. El terminal carboxilo del extremo de la hélice está situado en la interfaz de los dos dímeros alfa-beta, lo que favorece la transición al estado R. En general el estado R es más estable que el estado T pero bajo ciertas condiciones esto puede cambiar.

La afinidad por el oxígeno de la 3-oxihemoglobina es unas 300 veces mayor que la de su homóloga desoxihemoglobina. Este comportamiento hace que la curva de afinidad de la hemoglobina se convierta en sigmoidal, no hiperbólica como ocurre con la curva de afinidad de la mioglobina monomérica. De la misma manera, la capacidad de la hemoglobina de perder oxígeno es mayor a medida que se unen menos moléculas de oxígeno. Esta cooperatividad se observa en la hemoglobina cuando uno de los oxígenos se une a una de las subunidades del tetrámero. Esto aumentará la probabilidad de que los otros tres sitios se unan al oxígeno.

Un ejemplo de cooperatividad homotrópica es el efecto que tiene la molécula de sustrato en su afinidad.

Un ejemplo de cooperatividad heterotrópica es cuando una tercera sustancia provoca un cambio en la afinidad.

Modelo concertado de cooperatividadEditar

El modelo concertado (modelo de simetría o modelo CMM): las subunidades de la enzima están conectadas de tal manera que un cambio conformacional en una subunidad se confiere necesariamente a todas las demás subunidades. Así, todas las subunidades deben existir en la misma conformación. Ejemplo: En la hemoglobina, el tetrámero cambia de conformación conjuntamente (estado R) después de que cuatro moléculas de oxígeno se unan a los cuatro monómeros. La transición del estado T al estado R se produce en un solo paso.

El Modelo Concertado, también conocido como modelo MWC o modelo de simetría, de la hemoglobina se utiliza para explicar la cooperatividad en la unión del oxígeno así como las transiciones de las proteínas formadas por subunidades idénticas. Se centra en los dos estados de la hemoglobina; los estados T y R. El estado T de la hemoglobina es más tenso ya que se encuentra en la forma de desoxihemoglobina mientras que el estado R de la hemoglobina es más relajado ya que se encuentra en la forma de oxihemoglobina. El estado T está constreñido debido a las interacciones subunidad-subunidad mientras que el estado R es más flexible debido a la capacidad de unión del oxígeno. La unión del oxígeno en un sitio aumenta la afinidad de unión en otros sitios activos. Así, en el modelo concertado de la hemoglobina, se muestra que la unión de un oxígeno a un sitio activo aumentará la probabilidad de que otro oxígeno se una a los demás sitios activos. En un modelo concertado, todos los sitios de unión del oxígeno en la hemoglobina en el estado T deben estar unidos antes de convertirse al estado R. Esto también es cierto en la conversión del estado R al estado T, en el que todo el oxígeno ligado debe ser liberado antes de que la conversión completa pueda tener lugar. En cada nivel de carga de oxígeno, existe un equilibrio entre el estado T y el estado R. El equilibrio pasa de favorecer fuertemente el estado T (sin oxígeno ligado) a favorecer fuertemente el estado R (totalmente cargado de oxígeno). En general, la unión del oxígeno desplaza el equilibrio hacia el estado R. Esto significa que a niveles altos de oxígeno, la forma R será predominante y a niveles bajos de oxígeno, la forma T será predominante. Los efectores alostéricos de la hemoglobina, como el 2,3-BPG, funcionan desplazando el equilibrio hacia el estado T o alejándolo de él, dependiendo de si es un inhibidor o un promotor. Este modelo y el modelo secuencial muestran los casos extremos de las transiciones R y T. En un sistema real, se necesitan propiedades de ambos modelos para explicar el comportamiento de la hemoglobina.

Modelo secuencial de cooperatividadEditar

El modelo secuencial: las subunidades no están conectadas de forma que un cambio conformacional en una induzca un cambio similar en las otras. Todas las subunidades de la enzima no necesitan la misma conformación. El modelo secuencial afirma que las moléculas de sustrato se unen a través de una conformación inducida. Ejemplo: En la hemoglobina, los cuatro monómeros cambian de conformación (estado R) de uno en uno cuando el oxígeno se une a cada monómero. Esto permite que la hemoglobina tenga monómeros en estado R y monómeros en estado T.

El Modelo Secuencial de la hemoglobina explica la cooperatividad implicada en la unión del oxígeno. Este modelo sigue el concepto de que después de que se produzca la unión en un sitio en el sitio activo, la afinidad de unión en los otros sitios alrededor de la proteína aumentará también. De ahí que el gráfico de la concentración de sustrato frente a la velocidad de reacción tenga una forma sigmoidal. Debido a esta cooperatividad, no sigue la cinética de Michaelis-Menten. La diferencia entre este modelo y el modelo concertado es que los estados T no tienen que convertirse en estados R todos a la vez. En este modelo, el ligando cambiará la conformación de la subunidad a la que está unido e inducirá cambios en las subunidades vecinas. El modelo secuencial no requiere que el estado global de la molécula esté sólo en el estado T o en el estado R. Simplemente, cada sitio de unión influye en los sitios de unión cercanos hasta que todos los sitios de unión están en el mismo estado. Ni el modelo secuencial ni el modelo concertado explican completamente la naturaleza de la hemoglobina. Las propiedades de ambos modelos aparecen en un sistema real.