Le proteine allosteriche rappresentano un meccanismo di regolazione enzimatica che si attua attraverso una modificazione strutturale reversibile della molecola proteica.
Un enzima allosterico, per interazione reversibile (effetto allosterico) di una piccola molecola (effettore) che si lega a un sito diverso da quello catalitico (sito allosterico), subisce un cambiamento della conformazione della macromolecola (transizione allosterica) che determina profonde variazioni dell’attività enzimatica di questa.
Gli effettori che aumentano l’attività della proteina vengono chiamati attivatori allosterici mentre quelli che la diminuiscono sono detti inibitori allosterici. Il legame dell’effettore presso tali siti è in grado di modificare leggermente la struttura terziaria della proteina e quindi di variare la sua affinità per il substrato, consentendo di incrementare o di ridurre l’attività a seconda delle esigenze della cellula.
Con questo meccanismo si possono spiegare non solo le inibizioni da prodotto finale (inibizioni feedback) delle sequenze delle reazioni di biosintesi nei batteri o negli altri organismi, ma anche, in generale, i rapidi, precisi ed efficienti controlli delle attività enzimatiche nei punti cruciali e chiave del metabolismo. Le proteine allosteriche rispondono più prontamente alle variazioni di substrato.
Stabilendo una concentrazione soglia di substrato, si può vedere come un enzima allosterico è quasi inattivo al di sotto di questa soglia ed è quasi alla massima efficienza al di sopra della soglia.
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I Fondamenti Molecolari dell'Allostericità
Agli inizi degli anni '60 del secolo scorso venne proposto per la prima volta un modello molecolare per giustificare il comportamento allosterico delle proteine. Ciò fu reso possibile dalla disponibilità della struttura tridimensionale dell'emoglobina mediante cristallografia ai raggi X.
La crescita della concentrazione del ligando è una caratteristica fondamentale delle proteine allosteriche. La regolazione di questa affinità richiede almeno due siti di legame per il ligando sulla proteina.
Se la proteina avesse solo un sito di legame per il ligando, si verificherebbe un unico evento di saturazione che non potrebbe influenzare altri eventi. Le proteine allosteriche sono quasi sempre costituite da subunità identiche, e ogni subunità possiede un sito di legame. La struttura quaternaria delle proteine allosteriche garantisce la presenza di più siti di legame sulla stessa molecola proteica e, di conseguenza, il comportamento allosterico.
Il ligando instaura con la proteina un legame cooperativo. Cooperatività significa affinità del ligando.
Emoglobina: Un Esempio Chiave di Proteina Allosterica
Un esempio notevole è quello dell’emoglobina, una proteina tetramerica che viene attivata allostericamente dall’ossigeno, che la fa passare dalla conformazione ossigenata a quella deossigenata. Rispetto all’emoglobina, l’ossigeno funziona sia da substrato che da effettore. L’attivazione allosterica dell’emoglobina permette di aumentare l’affinità tra le molecole di substrato e i siti di legame.
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Una proteina di trasporto come l’emoglobina, che ha profilo sigmoidale, garantirebbe la migliore efficienza di trasporto, poiché si satura completamente a livello dei polmoni e cede il grosso dell’ossigeno a livello dei tessuti periferici.
Una proteina trasportatrice con profilo iperbolico e con alta affinità potrebbe saturarsi molto a livello dei polmoni, ma cederebbe poco ossigeno a livello dei tessuti, risultando efficiente nel legame ma inefficiente nel rilascio.
Al contrario, una proteina trasportatrice a bassa affinità rilascerebbe efficientemente ossigeno a livello dei tessuti, ma ne legherebbe poco a livello dei polmoni, essendo efficiente nel rilascio, ma inefficiente nel legame.
Equazione di Hill
L'equazione di Hill è utilizzata per descrivere la cooperatività nel legame del ligando alle proteine allosteriche:
n n[L]θ = nK + [L]
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Dove:
- θ è la frazione di saturazione
- [L] è la concentrazione del ligando
- K è la costante di dissociazione
- n è il coefficiente di Hill
Due casi limite:
- Quando [L] tende a 0: nθ = [L]
- Quando [L] tende a infinito: massima saturazione
Con n = 1, l'equazione coincide con un'equazione con profilo iperbolico.
Il coefficiente di Hill può essere determinato sperimentalmente utilizzando la pressione parziale di ossigeno nei polmoni.
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