En bioquímica y biología molecular , un sitio de unión (binding site) es una región de una macromolécula, como una proteína, que se une específicamente a otra molécula [1] . El compañero de unión de una macromolécula a menudo se denomina ligando [2] . Los ligandos pueden incluir otras proteínas (que dan como resultado una interacción proteína-proteína ) [3] [4] , sustratos enzimáticos [5] , segundos mensajeros , hormonas o moduladores alostéricos [6] . El evento de unión a menudo, pero no siempre, va acompañado de un cambio conformacional que altera la función de la proteína [7] . La unión a sitios de unión a proteínas suele ser reversible (transitoria y no covalente), pero también puede ser covalentemente reversible [8] o irreversible [9] .
La unión de un ligando a un sitio de unión en una proteína a menudo provoca un cambio conformacional en la proteína y da como resultado un cambio en la función celular. Por lo tanto, los sitios de unión de una proteína son partes críticas de las vías de transducción de señales [10] . Los tipos de ligandos incluyen neurotransmisores , toxinas , neuropéptidos y hormonas esteroides [11] . Los sitios de unión experimentan cambios funcionales en varios contextos, incluida la catálisis enzimática, la señalización de vías moleculares, la regulación homeostática y la función fisiológica. La carga eléctrica , la forma estérica y la geometría del sitio permiten selectivamente la unión de ligandos altamente específicos, activando una cierta cascada de interacciones celulares de las que la proteína es responsable [12] [13] .
Las enzimas provocan catálisis, se unen más fuertemente a los estados de transición que los sustratos y productos. Varias interacciones diferentes pueden actuar sobre el sustrato en el sitio de unión catalítica. Van desde la electrocatálisis, la catálisis ácida y básica hasta la catálisis covalente y la catálisis de iones metálicos [11] . Estas interacciones reducen la energía de activación de una reacción química, proporcionando interacciones favorables para estabilizar la molécula de alta energía. La unión de enzimas proporciona una ubicación más cercana y exclusión de sustancias que no son relevantes para la reacción. Esta unión específica también previene reacciones secundarias [14] [11] .
Los tipos de enzimas que pueden realizar estas acciones incluyen oxidorreductasas, transferasas, hidrolasas, liasas, isomerasas y ligasas [15] .
Por ejemplo, la hexocinasa transferasa cataliza la fosforilación de glucosa para formar glucosa-6-fosfato . Los residuos del sitio activo de la hexoquinasa permiten estabilizar la molécula de glucosa en el sitio activo y estimular el inicio de una vía alternativa de interacciones favorables, reduciendo la energía de activación [16] .
La inhibición de una proteína por la unión del inhibidor puede provocar una desregulación de la vía, la regulación homeostática y la función fisiológica.
Los inhibidores competitivos compiten con el sustrato para unirse a las enzimas libres en los sitios activos y, por lo tanto, evitan la formación de un complejo enzima-sustrato tras la unión. Por ejemplo, el envenenamiento por monóxido de carbono es causado por la unión competitiva del monóxido de carbono en oposición al oxígeno en la hemoglobina.
Alternativamente, los inhibidores no competitivos se unen simultáneamente al sustrato en los sitios activos. Al unirse al complejo enzima sustrato (ES), se forma un complejo enzima sustrato inhibidor (ESI). Al igual que los inhibidores competitivos, la tasa de formación de productos también disminuye [5] .
Finalmente, los inhibidores mixtos son capaces de unirse tanto a la enzima libre como al complejo enzima-sustrato. Sin embargo, a diferencia de los inhibidores competitivos y no competitivos, los inhibidores mixtos se unen a un sitio alostérico. La unión alostérica provoca cambios conformacionales que pueden aumentar la afinidad de la proteína por el sustrato. Este fenómeno se llama modulación positiva. Por el contrario, la unión alostérica, que reduce la afinidad de una proteína por un sustrato, es una modulación negativa [17] .
En el sitio activo, el sustrato se une a la enzima y provoca una reacción química [18] [19] . Los sustratos, los estados de transición y los productos pueden unirse al sitio activo, al igual que cualquier inhibidor competitivo [18] . Por ejemplo, en el contexto de la función de las proteínas, la unión del calcio a la troponina en las células musculares puede provocar cambios conformacionales en la troponina. Esto permite que la tropomiosina abra el sitio de unión de actina-miosina al que se une la cabeza de miosina para formar un puente cruzado e inducir la contracción muscular [20] .
En el contexto de la sangre, un ejemplo de unión competitiva es el monóxido de carbono que compite con el oxígeno por el sitio activo del hemo . La alta afinidad del monóxido de carbono puede superar al oxígeno en presencia de una baja concentración de oxígeno. En estas circunstancias, la unión del monóxido de carbono provoca un cambio conformacional que evita que el grupo hemo se una al oxígeno, lo que provoca una intoxicación por monóxido de carbono [5] .
En el sitio regulador, la unión del ligando puede provocar una mejora o inhibición de la función de la proteína [5] [21] . La unión de un ligando al sitio alostérico de una enzima multimérica a menudo induce una cooperatividad positiva, es decir, la unión de un sustrato induce un cambio favorable en la conformación y aumenta la probabilidad de que la enzima se una a un segundo sustrato [22] . Los ligandos del sitio regulador pueden incluir ligandos homotrópicos y heterotrópicos , en los que uno o más tipos de moléculas afectan la actividad de la enzima, respectivamente [23] .
Las enzimas reguladas a menudo juegan un papel importante en las rutas metabólicas. Por ejemplo, la fosfofructoquinasa (PFC), que fosforila la fructosa durante la glucólisis , está fuertemente regulada por ATP. Su regulación en la glucólisis es imperativa porque es el paso limitante de la velocidad del metabolismo. FFK también controla la cantidad de glucosa destinada a la formación de ATP a través de la vía catabólica . Por lo tanto, a un nivel suficiente de ATP, PFK es inhibida alostéricamente por ATP. Esta regulación conserva eficazmente las reservas de glucosa que pueden requerir otras vías. El citrato, un intermediario en el ciclo del ácido cítrico, también funciona como un regulador alostérico de PPA [23] [24] .
Los sitios de unión también se pueden caracterizar por sus características estructurales. Los sitios monocatenarios (ligandos "monodésmicos", μόνος: simple, δεσμός: unión) están formados por una sola cadena proteica, mientras que los sitios multicatenarios (ligandos "polidésmicos", πολοί: muchos) [25] se encuentran a menudo en complejos proteicos y están formados por ligandos que se unen a más de una cadena de proteínas, generalmente en o cerca de las interfaces de proteínas. Estudios recientes muestran que la estructura del sitio de unión tiene fuertes implicaciones para la biología de los complejos proteicos (evolución de la función, alosteria) [26] [27] .
Los sitios de unión ocultos son sitios de unión que se forman temporalmente en forma de "apo" o se inducen mediante la unión de un ligando. Tener en cuenta los sitios de unión ocultos aumenta el tamaño del proteoma humano potencialmente sensible a los fármacos de ~40 % a ~78 % de las proteínas asociadas a la enfermedad [28] . Los sitios de unión se han investigado utilizando: una máquina de vectores de soporte aplicada al conjunto de datos de CryptoSite [28] , una extensión del conjunto de datos de CryptoSite [29] , simulaciones de dinámica molecular a largo plazo utilizando un modelo de estado de Markov y experimentos biofísicos [30] , y un índice de sitios ocultos basado en el área de superficie disponible relativa [31] .
Las curvas de unión describen el proceso de unión de un ligando a una proteína. Las curvas se pueden caracterizar por su forma, sigmoidea o hiperbólica, que refleja si la proteína exhibe un comportamiento de unión cooperativo o no cooperativo, respectivamente [32] . Normalmente, el eje x describe la concentración del ligando y el eje y describe la saturación fraccionaria de los ligandos asociados con todos los sitios de unión disponibles [5] . La ecuación de Michaelis Menten se usa comúnmente para determinar la forma de una curva. La ecuación de Michaelis Menten se deriva sobre la base de condiciones estacionarias y tiene en cuenta las reacciones enzimáticas que ocurren en solución. Sin embargo, cuando la reacción ocurre cuando la enzima se une al sustrato, la cinética se desarrolla de manera diferente [33] .
El modelado con curvas de unión es útil para evaluar la afinidad de unión del oxígeno por la hemoglobina y la mioglobina en la sangre. La hemoglobina, que tiene cuatro grupos hemo, exhibe unión cooperativa . Esto significa que la unión de oxígeno al grupo hemo en la hemoglobina provoca un cambio favorable en la conformación, lo que permite aumentar la unión de oxígeno favorable para los siguientes grupos hemo. En estas circunstancias, la curva de unión de la hemoglobina será sigmoidea debido a su mayor capacidad para unirse al oxígeno. Debido a que la mioglobina tiene solo un grupo hemo, exhibe una unión no cooperativa que es hiperbólica en la curva de unión [34] .
Las diferencias bioquímicas entre diferentes organismos y personas son útiles para el desarrollo de fármacos. Por ejemplo, la penicilina inhibe las enzimas bacterianas DD-transpeptidasa , interrumpiendo la síntesis de la pared celular bacteriana y provocando la muerte celular. Por lo tanto, el estudio de los sitios de unión es relevante para muchas áreas de investigación, incluidos los mecanismos del cáncer [7] , las formas de dosificación [35] y la regulación fisiológica [36] . El desarrollo de inhibidores para suprimir la función de las proteínas es una forma común de terapia farmacéutica [37] .
En el campo del tratamiento del cáncer, los ligandos que se editan para que tengan una apariencia similar al ligando natural se usan para suprimir el crecimiento tumoral. Por ejemplo, el metotrexato quimioterapéutico actúa como un inhibidor competitivo del sitio activo de la dihidrofolato reductasa [38] . Esta interacción inhibe la síntesis de tetrahidrofolato, deteniendo la producción de ADN, ARN y proteínas [38] . La inhibición de esta función inhibe el crecimiento tumoral y mejora la psoriasis grave y la artritis reumatoide en adultos [37] .
En las enfermedades cardiovasculares, se utilizan fármacos como los betabloqueantes para tratar a los pacientes con hipertensión. Los bloqueadores beta (bloqueadores β) son medicamentos antihipertensivos que bloquean la unión de las hormonas epinefrina y norepinefrina a los receptores β1 y β2 en el corazón y los vasos sanguíneos. Estos receptores típicamente median la respuesta simpática de lucha o huida al causar vasoconstricción [39] .
Los inhibidores competitivos también están disponibles comercialmente. La toxina botulínica , conocida comercialmente como Botox, es una neurotoxina que provoca parálisis flácida en los músculos al unirse a los nervios dependientes de la acetilcolina. Esta interacción suprime las contracciones musculares, dando la apariencia de músculo liso [40] .
Se han desarrollado varias herramientas informáticas para predecir la ubicación de los sitios de unión en las proteínas [21] [41] [42] . Pueden clasificarse ampliamente en función de la secuencia o la estructura [42] . Los métodos basados en secuencias se basan en la suposición de que las secuencias de porciones de proteínas conservadas funcionalmente, como el sitio de unión, se conservan. Los métodos basados en la estructura requieren la estructura tridimensional de la proteína. Estos métodos, a su vez, se pueden subdividir en métodos de plantilla y de "bolsillo" [42] . Los métodos basados en plantillas buscan similitudes 3D entre una proteína diana y proteínas con sitios de unión conocidos. Los métodos basados en bolsillos buscan superficies cóncavas o bolsillos ocultos en la proteína diana que tengan características como la hidrofobicidad y la capacidad de unir hidrógeno, lo que les permitiría unir ligandos con alta afinidad [42] . Aunque aquí se utiliza el término "bolsillo", se pueden utilizar métodos similares para predecir los sitios de unión utilizados en las interacciones proteína-proteína, que suelen ser más planos que "bolsillos" [43] .
| Enzimas | |
|---|---|
| Actividad | |
| Regulación | |
| Clasificación | |
| Tipos |
|