Biochimie structurală/Funcția proteinelor/Site de legare/Cooperativitate

Legatura cooperativă poate produce cooperativitate negativă, cooperativitate pozitivă, cooperativitate heterotropă și cooperativitate homotropă.

Cooperativitate negativăEdit

Un exemplu de cooperativitate negativă este scăderea afinității de legare odată ce unul dintre situsuri este legat. Pe măsură ce liganzii se leagă de proteină, afinitatea proteinei pentru ligand scade. De exemplu, relația dintre gliceraldehidă-3-fosfat și enzima gliceraldehidă-3-fosfat dehidrogenază este un exemplu clar al acestui proces.

Cooperativitate pozitivăEdit

Hemoglobina este alcătuită din patru subunități. Dacă o subunitate se leagă de oxigen, crește șansele ca celelalte trei să facă același lucru.

Un exemplu de cooperativitate pozitivă poate fi observat atunci când un substrat se leagă de o enzimă cu mai multe situsuri de legare, iar celelalte situsuri de legare sunt afectate de această schimbare.

Acest comportament este observat la legarea oxigenului de hemoglobină pentru a forma oxihemoglobina. Hemoglobina este alcătuită din patru subunități, două alfa și două beta. Acestea se unesc pentru a forma un tetramer, fiecare subunitate având propriul situs activ la care se leagă oxigenul. Acest situs activ conține o structură inelară de porfirină cu un atom de fier în centru. Atunci când subunitatea nu este legată de un oxigen, fierul se află la aproximativ 0,4 A sub planul inelului. Când tetramerul se află în această stare, se consideră că se află în starea T sau starea tensionată.

Starea R, sau starea relaxată apare atunci când hemoglobina s-a legat de oxigen. Deoxihemoglobina, sau starea T, are o afinitate scăzută pentru oxigen. Totuși, atunci când o moleculă se leagă de un singur heme, afinitatea pentru oxigen crește, ceea ce permite moleculelor următoare să se lege mai ușor în succesiune. Acest lucru se întâmplă atunci când fierul legat de oxigen este ridicat pentru a se afla în același plan cu inelul. Acest lucru forțează reziduul de histidină la care este atașat să se deplaseze și el, ceea ce, la rândul său, forțează helixul alfa la care este atașată histidina să se deplaseze. Terminalul carboxilic de la capătul helixului este situat la interfața dintre cei doi dimeri alfa-beta, favorizând astfel tranziția la starea R. În general, starea R este mai stabilă decât starea T, dar în anumite condiții acest lucru se poate schimba.

Afinitatea pentru oxigen a 3-oxihemoglobinei este de aproximativ 300 de ori mai mare decât cea a omologului său deoxihemoglobină. Acest comportament conduce la curba de afinitate a hemoglobinei să devină sigmoidală, nu hiperbolică, ca în cazul curbei de afinitate a mioglobinei monomerice. În același mod, capacitatea hemoglobinei de a pierde oxigen este mai mare pe măsură ce sunt legate mai puține molecule de oxigen. Această cooperativitate poate fi observată la hemoglobină atunci când unul dintre oxigen se leagă de una dintre subunitățile tetramerului. Acest lucru va crește probabilitatea ca celelalte trei situsuri să se lege de oxigen.

Un exemplu de cooperativitate omotropă este efectul pe care molecula de substrat îl are asupra afinității sale.

Un exemplu de cooperativitate heterotropă este atunci când o a treia substanță determină o modificare a afinității.

Modelul concertat al cooperativitățiiEdit

Modelul concertat (modelul simetriei sau modelul MWC): subunitățile enzimei sunt conectate în așa fel încât o modificare conformațională într-o subunitate este în mod necesar conferită tuturor celorlalte subunități. Astfel, toate subunitățile trebuie să existe în aceeași conformație. Exemplu: În hemoglobină, tetramerul își schimbă conformația împreună (starea R) după ce patru molecule de oxigen se leagă de toți cei patru monomeri. Trecerea de la starea T la starea R are loc într-o singură etapă.

Modelul concertat, cunoscut și sub numele de modelul MWC sau modelul de simetrie, al hemoglobinei este utilizat pentru a explica cooperativitatea în legarea oxigenului, precum și tranzițiile proteinelor alcătuite din subunități identice. Acesta se concentrează pe cele două stări ale hemoglobinei; stările T și R. Starea T a hemoglobinei este mai tensionată, deoarece se află în forma dezoxihemoglobină, în timp ce starea R a hemoglobinei este mai relaxată, deoarece se află în forma oxihemoglobină. Starea T este constrânsă din cauza interacțiunilor subunitate-subunitate, în timp ce starea R este mai flexibilă datorită capacității de legare a oxigenului. Legarea oxigenului la un situs crește afinitatea de legare în alte situsuri active. Astfel, în modelul concertat al hemoglobinei, se arată că legarea unui singur oxigen la un situs activ va crește probabilitatea ca alt oxigen să se lege la celelalte situsuri active. Într-un model concertat, toate situsurile de legare a oxigenului de pe hemoglobină în starea T trebuie să fie legate înainte de a se transforma în starea R. Acest lucru este valabil și în conversia de la starea R la starea T, în care tot oxigenul legat trebuie să fie eliberat înainte de a avea loc conversia completă. La fiecare nivel de încărcare cu oxigen, există un echilibru între starea T și starea R. Echilibrul trece de la o puternică favorizare a stării T (fără oxigen legat) la o puternică favorizare a stării R (complet încărcată cu oxigen). În general, legarea oxigenului deplasează echilibrul spre starea R. Aceasta înseamnă că, la niveluri ridicate de oxigen, forma R va fi predominantă, iar la niveluri scăzute de oxigen, forma T va fi predominantă. Efectorii alosterici ai hemoglobinei, cum ar fi 2,3-BPG, funcționează prin deplasarea echilibrului spre sau departe de starea T, în funcție de faptul că este un inhibitor sau un promotor. Acest model și modelul secvențial prezintă cazurile extreme de tranziții R și T. Într-un sistem real, sunt necesare proprietăți din ambele modele pentru a explica comportamentul hemoglobinei.

Modelul secvențial al cooperativitățiiEdit

Modelul secvențial: subunitățile nu sunt conectate în așa fel încât o schimbare conformațională în una să inducă o schimbare similară în celelalte. Nu este necesar ca toate subunitățile enzimei să aibă aceeași conformație. Modelul secvențial afirmă că moleculele de substrat se leagă printr-o conformație indusă. Exemplu: În hemoglobină, cei patru monomeri își schimbă conformația (starea R) unul câte unul, pe măsură ce oxigenul se leagă de fiecare monomer. Acest lucru permite ca hemoglobina să aibă monomeri în stare R și monomeri în stare T.

Modelul secvențial al hemoglobinei explică cooperativitatea implicată în legarea oxigenului. Acest model urmărește conceptul că, după ce are loc legarea la un situs din situsul activ, afinitatea de legare în celelalte situsuri din jurul proteinei va crește și ea. Prin urmare, graficul concentrației de substrat în funcție de viteza de reacție are o formă sigmoidală. Din cauza acestei cooperativități, nu urmează cinetica Michaelis-Menten. Diferența dintre acest model și modelul concertat constă în faptul că stările T nu trebuie să se transforme în stări R dintr-o dată. În acest model, ligandul va modifica conformația subunității de care este legat și va induce modificări în subunitățile vecine. Modelul secvențial nu necesită ca starea generală a moleculei să fie numai în starea T sau numai în starea R. Pur și simplu, fiecare situs de legare influențează situsurile de legare din apropiere până când toate situsurile de legare se află în aceeași stare. Nici modelul secvențial, nici modelul concertat nu explică pe deplin natura hemoglobinei. Proprietăți din ambele modele apar într-un sistem real.

.