Cooperatividad: definición y explicación

Unión molecular

En biología molecular y bioquímica, la unión molecular de una molécula de sustrato a sus objetivos, o ligandos , es extremadamente importante. Muchos procesos bioquímicos dependen de que las proteínas se unan y liberen sus ligandos diana. Por ejemplo, la hemoglobina es una proteína que se encuentra en los glóbulos rojos y que se une al oxígeno y al dióxido de carbono. La proteína debe unirse al oxígeno, liberarlo y luego unirse al dióxido de carbono y luego liberarlo. Si la proteína se une al oxígeno o al dióxido de carbono de manera indefinida, la proteína no está cumpliendo su propósito como transportador de gases en sangre.

Pero, ¿qué hace que la hemoglobina se una y luego libere a cualquiera de estos gases en sangre? Si decimos que A representa nuestra proteína de unión y B representa el ligando al que se une A, debemos tener un sistema en el que A pueda asociarse con B, formando AB, y luego disociarse, devolviendo A y B a la solución por separado. A esto lo llamamos una asociación o constante de unión y lo etiquetamos como KI.

Si hay mucho A + B en solución, la reacción favorecerá la dirección de AB; sin embargo, si AB es alto, la reacción favorecerá la dirección de A + B para la reacción. Podemos calcular el equilibrio de A + B y AB usando la siguiente fórmula:

Al tomar el logaritmo de las concentraciones de AB y dividirlo por las concentraciones de A y B por separado, podemos encontrar las concentraciones de equilibrio de los reactivos y productos en solución. Sin embargo, como veremos, la concentración no es el único factor que afecta la unión, ya que la unión cooperativa depende de cambios en las conformaciones alostéricas (formas de proteínas).

Vinculación cooperativa frente a no cooperativa

A menudo, las proteínas están formadas por dímeros en los que la estructura A y la estructura B son diferentes entre sí en algún nivel de secuencia, pero tienen relativamente los mismos pliegues y se unen al mismo ligando. El mejor ejemplo de esto es con la hemoglobina, que está formada por dos dímeros alfa y dos beta que componen su estructura cuaternaria .

Las cuatro subunidades se unen al oxígeno y al dióxido de carbono como sus principales ligandos. Si, como en el caso de la hemoglobina, la unión del ligando a la primera subunidad afecta a la segunda subunidad de una manera que aumenta la afinidad de unión por el ligando, la unión es cooperativa . Esto significa que, después de la unión de oxígeno a la primera subunidad de hemoglobina, la segunda subunidad tiene una mayor afinidad por el oxígeno, que, una vez unido, aumenta la afinidad por la tercera subunidad y así sucesivamente. Esta mayor afinidad por el ligando causa una curva de unión sigmoidea, o en forma de S, como se ve a continuación.

La curva sigmoidea muestra un rápido aumento en la afinidad y unión después de que el primer y segundo ligandos se unen a sus sitios. Esto produce una curva pronunciada hacia arriba, formando una S. La curva de unión se nivela en la parte superior, formando la parte superior de la S, a medida que se ocupan las posiciones de unión del ligando.

En la unión no cooperativa , vemos una curva logarítmica ya que la unión de un ligando no tiene un efecto sobre la unión de otro ligando para cualquier subunidad que pueda estar presente. A continuación se muestra un ejemplo de una curva logarítmica que veríamos en las curvas de unión al oxígeno de la mioglobina.

La mioglobina consta de una subunidad de hemoglobina y la unión de ligandos a cualquier cosa que la rodea no cambia su afinidad constante por los ligandos. Por tanto, la curva de unión es tal que la unión del ligando a los sitios de unión aumenta de manera constante hasta que los sitios del ligando se saturan y nivelan. Esto forma una curva en forma de cúpula que no muestra aumentos bruscos de afinidad de unión y no muestra ninguna unión cooperativa.

Hemoglobina

La hemoglobina se utiliza a menudo como ejemplo de unión cooperativa. La hemoglobina, que se encuentra en los glóbulos rojos de toda la vida animal, es una proteína de intercambio y transporte de gas que recoge oxígeno en los pulmones, deja caer oxígeno en los capilares, recoge dióxido de carbono en los capilares y luego deja caer dióxido de carbono en los pulmones.

Los estados alostéricos se utilizan para describir diferentes conformaciones que pueden adoptar las proteínas cuaternarias cuando sus ligandos están unidos o no. En el caso de la hemoglobina, la unión de oxígeno y dióxido de carbono hace que la proteína cambie entre un estado tenso y relajado, lo que da como resultado un cambio de dímero de 15 grados entre las subunidades alfa y beta.

En estado tenso, la hemoglobina tiene una baja afinidad por el oxígeno y una alta afinidad por el dióxido de carbono. En el estado relajado, ocurre lo contrario. La unión cooperativa de oxígeno o dióxido de carbono se logra durante el estado que favorece a ese gas en particular, mientras que el otro gas se descarga de la hemoglobina.

Resumen de la lección

La unión cooperativa depende en gran medida de una proteína que tenga una estructura cuaternaria que sea capaz de cambiar los estados alostéricos dependiendo de la unión de ligandos específicos . Cuando la unión de un ligando al primer sitio del ligando impacta directamente en la afinidad del segundo sitio del ligando por ese ligando, esto se considera unión cooperativa. Si la unión de un ligando no afecta la afinidad del sitio del segundo ligando por ese ligando, se trata de una unión no cooperativa .

Generalmente, las proteínas con una estructura cuaternaria que tienen más de un sitio de ligando han evolucionado para utilizar la unión cooperativa, y la unión no cooperativa se observa generalmente en proteínas limitadas a una estructura terciaria.

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