Sitio de unión

En bioquímica e bioloxía molecular, un sitio de unión é unha rexión dunha macromolécula, como unha proteína, á que se une outra molécula especificamente. A molécula que se une á macromolécula adoita denominarse ligando. Os ligandos poden ser outras proteínas (orixinando unha interacción proteína-proteína), substratos encimáticos, segundos mensaxeiros, hormonas ou moduladores alostéricos. A unión da molécula está a miúdo (pero non sempre) acompañada dun cambio conformacional que altera a función da proteína. A unión dunha molécula ao sitio de unión dunha proteína adoita ser reversible e non covalente (transitoria), pero pode tamén ser covalente e igualmente reversible ou irreversible. Función
A unión dun ligando a un sitio de unión dunha proteína adoita desencadear un cambio de conformación na proteína e ten como resultado a alteración da súa función celular. Por tanto, o sitio de unión na proteína é unha parte fundamental no funcionamento das vías de transdución de sinais. Entre os tipos posibles de ligandos están os neurotransmisores, toxinas, neuropéptidos e hormonas esteroides. Os sitios de unión sofren cambios funcionais en diversos contextos, como a catálise encimática, vías de sinalización molecular, regulación homeostática e funcionamento fisiolóxico. A carga eléctrica, forma estérica e xeometría do sitio permite selectivamente que se unan ligandos moi específicos, activando un determinado cadoiro de interaccións celulares das cales a proteína é responsable.
Catálise
Os encimas realizan a catálise orixinando un estado de transición ao unirse o substrato. No sitio de unión catalítico, poden producirse varias interaccións diferentes sobre o substrato. Estas poden ser desde unha catálise eléctrica, ácida ou básica, a unha catálise covalente ou unha catálise de ión metálico. Estas interaccións fan decrecer a enerxía de activación dunha reacción química ao proporcionar interaccións favorables que estabilizan a molécula de alta enerxía. A unión ao encima realízase por maior proximidade e exclusión das substancias irrelevantes na reacción. As posibles reaccións colaterais son minimizadas por esta unión tan específica.
Estas reaccións poden realizalas todo tipo de encimas como oxidorredutases, transferases, hidrolases, liases, isomerases e ligases.
Por exemplo, a transferase hexoquinase cataliza a fosforilación da glicosa para producir glicosa-6-fosfato. Os residuos do sitio activo da hexoquinase estabilizan a molécula de glicosa e dan inicio a unha serie de interaccións favorables, diminuíndo a enerxía de activación.
Inhibición
A inhibición dunha proteína pola unión dunha molécula inhibidora pode inducir o bloqueo dunha vía de regulación, dunha regulación homeostática ou unha función fisiolóxica.
Os inhibidores competitivos compiten cun substrato por unirse a encimas nos sitios activos e así impedir a formación do complexo encima-substrato (se entran eles, non entra o substrato), polo que diminúe a formación de produto. Por exemplo, o monóxido de carbono é un veleno respiratorio que actúa competindo co oxíxeno por unirse ás moléculas de hemoglobina.
Os inhibidores acompetitivos únense xunto co substrato nos sitios activos, formándose un complexo encima-substrato-inhibidor (ESI), que non orixina o produto, polo que a velocidade de formación do produto diminúe.
Outros inhibidores mixtos, únense ao encima nun sitio de unión diferente do sitio activo (onde se une o substrato), chamado sitio ou centro alostérico. A unión do inhibidor ao sitio alostérico causa cambios conformacionais no encima que poden diminuír a afinidade do encima polo substrato (modulación negativa). Inversamente, en certos casos a unión destas moléculas reguladoras ao sitio alostérico pode orixinar un aumento da velocidade encimática (modulación positiva). Tipos
Sitio activo
No sitio activo o substrato únese ao encima para inducir unha reacción química. Os susbtratos, estados de transición e produtos poden estar unidos aos sitios activos, así como os inhibidores competitivos. Por exemplo, no contexto da contracción muscular, a unión do calcio á troponina nas células musculares pode inducir un cambio conformacional na troponina. Isto permite que a tropomiosina expoña o sitio de unión actina-miosina ao cal se une a cabeza da miosina para formar unha ponte cruzada e inducir a contracción muscular.
No sangue, un exemplo de unión competitiva é a competición do monóxido de carbono co oxíxeno para unirse ao sitio activo no grupo hemo da proteína hemoglobina dos glóbulos vermellos. O monóxido de carbono ten unha alta afinidade polo sitio e supera na competencia ao oxíxeno en condicións de baixa concentración de oxíxeno. Cando se une o monóxido de carbono prodúcese un cambio conformacional que impide que o hemo se una ao oxíxeno, orixinando un envelenamento por monóxido de carbono.
Sitio alostérico
No sitio alostérico ou regulatorio dun encima, a unión dun ligando pode amplificar ou inhibir o funcionamento da proteína. A unión dun ligando a un sitio alostérico dun encima multimérico adoita inducir unha cooperatividade positiva, é dicir, a unión dunha molécula de substrato induce un cambio de conformación favorable e incrementa a probabilidade de que o encima se una a unha segunda molécula de substrato. Os ligandos dos sitios regulatorios poden ser homotrópicos ou heterotrópicos; os primeiros son un só tipo de molécula que afecta a actividade encimática (a mesma substancia funciona como susbtrato e como regulador), mentres que os segundos son varios tipos de moléculas, que afectan a actividade do encima (o susbtrato e o regulador son substancias distintas).
Os encimas que están moi regulados adoitan ser esenciais nas vías metabólicas. Por exemplo, a fosfofrutoquinase (PFK), que fosforila a frutosa na glicólise, está moi regulada polo ATP. A súa regulación na glicólise é imperativa porque é a reacción limitante da vía metabólica. A fosfofrutoquinase tamén controla a cantidade de glicosa que se vai destinar a impulsar a formación de ATP pola vía catabólica. Por tanto, cando hai un suficiente nivel de ATP, este encima é inhibido alostericamente polo ATP. Esta regulación conserva eficazmente as reservas de glicosa, que poden ser necesarias para outras vías. O citrato, un intermediario do ciclo do ácido cítrico, tamén funciona como regulador alostérico da fosfofrutoquinase.
Sitios de unión dunha soa cadea e de cadea múltiple
Os sitios de unión poden caracterizarse tamén polas súas características estruturais. Os sitios de cadea simple (de ligandos “monodésmicos”, de μόνος, 'unha', e δεσμός, 'unión') están formados por unha soa cadea proteíca, mentres que os sitios de cadea múltiple (de ligandos "polydésmicos”, de πολοί, 'moitos') encóntranse frecuentemente en proteínas complexas e están formados máis dunha cadea proteica, normalmente en ou preto das interfaces das proteínas. Investigacións recentes mostraron que a estrutura do sitio de unión ten profundas consecuencias na bioloxía das proteínas complexas (evolución da función, alostería).
Sitios de unión crípticos
Os sitios de unión crípticos son os sitios de unión que se forman transitoriamente nunha forma apo ou que son inducidos pola unión dun ligando. Considérase que os sitios de unión crípticos incrementan as posibilidades de tratamento con medicinas do proteoma humano do ~40% ao ~78% das proteínas asociadas a enfermidades. Os sitios de unión foron investigados por medio de: máquina de vectores de soporte aplicada a un conxunto de datos "CryptoSite", extensión de conxunto de datos "CryptoSite", simulación dinámica molecular a longa escala de tempo co modelo do estado de Markov e con experimentos biofísicos, e índice de sitios crípticos, que está baseado na área superficial accesible relativa.
Sitios de unión en ácidos nucleicos
O termo sitio de unión tamén se usa moito referido a ácidos nucleicos. No ADN e ARN encóntranse diversas secuencias e tramos que serven de sitio de unión para outras moléculas, como encimas ou factores de transcrición.
Sitios de unión de anticorpos
Tamén se utiliza ás veces o termo sitio de unión para as partes do anticorpo onde se unen outras moléculas, como son os dos extremos Fab (parátopos), onde se unen os antíxenos. Curvas de unión
As curvas de unión son os gráficos que serven para describir as caracterñisticas da unión do ligando coa proteína. As curvas poden caracterizarse pola súa forma, que pode ser sigmoidal ou hiperbólica, e que reflicte se a proteína e o ligando teñen un comportamento cooperativo ou non cooperativo, respectivamente. O eixe X indica a concentración do ligando e o eixe Y a saturación fraccional dos ligandos unidos a todos os sitios de unión dispoñibles. Normalmente utilízase a ecuación de Michaelis-Menten para determinar a forma da curva hiperbólica. A ecuación de Michaelis-Menten derívase baseándose nas condicións do estado estacionario e describe as reaccións do encima que están tendo lugar na disolución. Porén, cando a reacción ten lugar mentres o encima está unido á superficie do substrato, a cinética é diferente.
É útil facer modelos utilizando as curvas de unión cando se avalían as afinidades de unión de, por exemplo, o oxíxeno á hemoglobina e mioglobina no sangue. A hemoglobina, que ten catro grupos hemo, mostra unha unión cooperativa. Isto significa que a unión do oxíxeno a un grupo hemo da hemoglobina induce un cambio de conformación favorable que fai que se incremente a afinidade de unión do oxíxeno nos seguintes grupos hemo. Nestas circunstancias, a curva de unión da hemoglobina será sigmoidal debido ao incremento de afinidade polo oxíxeno. Como a mioglobina ten só un grupo hemo, mostra unha unión non cooperativa e unha curva de unión hiperbólica. Aplicacións
As diferenzas bioquímicas entre diferentes organismos e os humanos son útiles para o desenvolvemento de novas medicinas. Por exemplo, a penicilina mata as bacterias ao inhibir o encima bacteriano DD-transpeptidase, que intervén na construción da parede celular bacteriana, de modo que impide a correcta formación desta e a supervivencia da bacteria. Así, o estudo dos sitios de unión é importante en moitos eidos da investigación científica, como na investigación dos mecanismos do cancro, formulación de fármacos, e a regulación fisiolóxica. A preparación dun inhibidor para que mute a función dunha proteína é unha maneira común de terapia farmacéutica. Na investigación do cancro utilízanse ligandos modificados para que teñan unha aparencia similar á do ligando natural para que inhiban o crecemento do tumor. Por exemplo, o metotrexato, unha substancia quimioterapéutica, actúa como inhibidor competitivo no sitio activo da dihidrofolato redutase. Esta interacción inhibe a síntese de tetrahidrofolato, detendo a produción de ADN, ARN e proteínas. A inhibición desta función reprime o crecemento neoplástico e mellora a psoríase grave e a artrite reumatoide adulta.
En doenzas cardiovasculares utilízanse fármacos como os beta-bloqueantes para tratar pacientes con hipertensión arterial. Os β-bloqueantes son axentes antihipertensivos que bloquea a unión das hormonas adrenalina e noradrenalina aos receptores β1 e β2 no corazón, vasos sanguíneos e outros tecidos. Estes receptores normalmente son intermediarios da resposta simpática de "loitar ou fuxir", causando a constrición dos vasos sanguíneos.
Os inhibidores competitivos tamén se usan moito con distintas finalidades. Por exemplo, a toxina botúlica, coñecida comercialmente como Botox, é unha neurotoxina que causa parálise fláccida no músculo porque se une a receptores dos nervios acetilcolinérxicos e impide a transmision nerviosa ao músculo. Esta interacción inhibe a contracción muscular. Predición
Desenvolvéronse varias ferramenttas computacionais para a predición da localización de sitios de unión nas proteínas. Estes poden ser clasificados a grandes trazos segundo se baseen na secuencia ou na estrutura da proteína. Os métodos baseados na secuencia dependen da asunción de que as secuencias das porcións conservadas funcionalmente das proteínas, como os sitios de unión, están conservadas. Os métodos baseados na estrutura requiren dispoñer da estrutura tridimensional da proteína. Estes métodos, á súa vez, poden subdividirse en métodos baseados no molde e baseados no peto. Os métodos baseados no molde (template) buscan as semellanzas tridimensionais entre a proteína diana e as proteínas con sitios de unión coñecidos. Os métodos baseados no peto (pocket) buscan superficies cóncavas ou petos enterrados na proteína diana que posúen características como a hidrofobicidade e a capacidade de formar enlaces de hidróxeno que lles permitiría unirse a ligandos con alta afinidade. Aínda que se use o termo peto, poden utilizarse métodos similares para predicir sitios de unión usados nas interaccións proteína-proteína que son xeralmente máis planares, non en petos.