Biochimica strutturale/Funzione della proteina/Siti di legame/Cooperatività

Il legame cooperativo può produrre cooperatività negativa, cooperatività positiva, cooperatività eterotropa e cooperatività omotropa.

Cooperatività negativaModifica

Un esempio di cooperatività negativa è la diminuzione di affinità di legame una volta che uno dei siti è legato. Man mano che i ligandi si legano alla proteina, l’affinità della proteina per il ligando diminuisce. Per esempio, la relazione tra gliceraldeide-3-fosfato e l’enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi è un chiaro esempio di questo processo.

Cooperatività positivaModifica

L’emoglobina è composta da quattro subunità. Se una subunità si lega all’ossigeno, aumenta la possibilità che le altre tre facciano lo stesso.

Un esempio di cooperatività positiva può essere visto quando un substrato si lega a un enzima con più siti di legame e gli altri siti di legame sono influenzati da questo cambiamento.

Questo comportamento è visto nel legame dell’ossigeno all’emoglobina per formare l’ossiemoglobina. L’emoglobina è composta da quattro subunità, due alfa e due beta. Si uniscono per formare un tetramero, ogni subunità ha il suo sito attivo per legare l’ossigeno. Questo sito attivo contiene una struttura ad anello di porfirina con un atomo di ferro al centro. Quando la subunità non è legata a un ossigeno, il ferro è circa 0,4 A sotto il piano dell’anello. Quando il tetramero è in questo stato, è considerato nello stato T o stato teso.

Lo stato R, o stato rilassato, si verifica quando l’emoglobina si è legata all’ossigeno. La deossiemoglobina, o stato T, ha una bassa affinità per l’ossigeno. Quando una molecola si lega a un singolo eme, però, l’affinità dell’ossigeno aumenta, il che permette alle molecole seguenti di legarsi più facilmente in successione. Questo avviene quando il ferro legato all’ossigeno viene sollevato per trovarsi nello stesso piano dell’anello. Questo costringe il residuo di istidina a spostarsi, il che a sua volta costringe l’alfa-elica dove l’istidina è attaccata a spostarsi. Il terminale carbossilico all’estremità dell’elica si trova all’interfaccia dei due dimeri alfa-beta, favorendo così la transizione allo stato R. Nel complesso lo stato R è più stabile dello stato T, ma in certe condizioni questo può cambiare.

L’affinità dell’ossigeno della 3-ossiemoglobina è circa 300 volte maggiore di quella della sua controparte deossiemoglobina. Questo comportamento porta la curva di affinità dell’emoglobina a diventare sigmoidale, non iperbolica come la curva di affinità della mioglobina monomerica. Allo stesso modo, la capacità dell’emoglobina di perdere ossigeno è maggiore man mano che si legano meno molecole di ossigeno. Questa cooperatività può essere vista nell’emoglobina quando uno dell’ossigeno si lega a una delle subunità del tetramero. Questo aumenterà la probabilità che gli altri tre siti si leghino all’ossigeno.

Un esempio di cooperatività omotropica è l’effetto che la molecola del substrato ha sulla sua affinità.

Un esempio di cooperatività eterotropa è quando una terza sostanza causa un cambiamento nell’affinità.

Modello concertato di cooperativitàModifica

Il modello concertato (modello di simmetria o modello MWC): le subunità dell’enzima sono collegate in modo tale che un cambiamento conformazionale in una subunità è necessariamente conferito a tutte le altre subunità. Quindi tutte le subunità devono esistere nella stessa conformazione. Esempio: Nell’emoglobina, il tetramero cambia conformazione insieme (stato R) dopo che quattro molecole di ossigeno si legano a tutti e quattro i monomeri. La transizione dallo stato T allo stato R avviene in un solo passaggio.

Il modello concertato, noto anche come modello MWC o modello di simmetria, dell’emoglobina è usato per spiegare la cooperatività nel legame dell’ossigeno così come le transizioni delle proteine composte da subunità identiche. Si concentra sui due stati dell’emoglobina; gli stati T e R. Lo stato T dell’emoglobina è più teso perché è nella forma deossiemoglobina, mentre lo stato R dell’emoglobina è più rilassato perché è nella forma ossimoglobina. Lo stato T è vincolato a causa delle interazioni subunità-subunità mentre lo stato R è più flessibile a causa della capacità di legame dell’ossigeno. Il legame dell’ossigeno in un sito aumenta l’affinità di legame in altri siti attivi. Così nel modello concertato dell’emoglobina, mostra che il legame di un ossigeno ad un sito attivo aumenterà la probabilità di altri legami di ossigeno agli altri siti attivi. In un modello concertato, tutti i siti di legame dell’ossigeno sull’emoglobina nello stato T devono essere legati prima della conversione allo stato R. Questo è anche vero nella conversione dallo stato R allo stato T, in cui tutto l’ossigeno legato deve essere rilasciato prima che la conversione completa possa avvenire. Ad ogni livello di carico di ossigeno, esiste un equilibrio tra lo stato T e lo stato R. L’equilibrio si sposta da favorire fortemente lo stato T (nessun ossigeno legato) a favorire fortemente lo stato R (completamente carico di ossigeno). Nel complesso, il legame dell’ossigeno sposta l’equilibrio verso lo stato R. Questo significa che ad alti livelli di ossigeno, la forma R sarà prevalente e a livelli più bassi di ossigeno, la forma T sarà prevalente. Gli effettori allosterici dell’emoglobina, come il 2,3-BPG, funzionano spostando l’equilibrio verso o lontano dallo stato T, dipende se è un inibitore o un promotore. Questo modello e il modello sequenziale mostrano i casi estremi delle transizioni R e T. In un sistema reale, le proprietà di entrambi i modelli sono necessarie per spiegare il comportamento dell’emoglobina.

Modello sequenziale della cooperativitàModifica

Il modello sequenziale: le subunità non sono collegate in modo tale che un cambiamento conformazionale in una induce un cambiamento simile nelle altre. Tutte le subunità dell’enzima non hanno bisogno della stessa conformazione. Il modello sequenziale afferma che le molecole di substrato si legano attraverso una conformazione indotta. Esempio: Nell’emoglobina, i quattro monomeri cambiano conformazione (stato R) uno alla volta quando l’ossigeno si lega a ciascun monomero. Questo permette all’emoglobina di avere monomeri allo stato R e monomeri allo stato T.

Il modello sequenziale dell’emoglobina spiega la cooperatività coinvolta nel legame dell’ossigeno. Questo modello segue il concetto che dopo che il legame si verifica in un sito nel sito attivo, l’affinità di legame negli altri siti intorno alla proteina aumenterà pure. Quindi, il grafico della concentrazione del substrato rispetto alla velocità di reazione ha una forma sigmoidale. A causa di questa cooperatività, non segue la cinetica di Michaelis-Menten. La differenza tra questo modello e il modello concertato è che gli stati T non devono convertirsi in stati R tutti in una volta. In questo modello, il ligando cambierà la conformazione della subunità a cui è legato e indurrà cambiamenti nelle subunità vicine. Il modello sequenziale non richiede che lo stato complessivo della molecola sia solo allo stato T o solo allo stato R. Semplicemente, ogni sito di legame influenza i siti di legame vicini finché tutti i siti di legame sono nello stesso stato. Né il modello sequenziale né quello concertato spiegano completamente la natura dell’emoglobina. Le proprietà di entrambi i modelli appaiono in un sistema reale.