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Decifrare il miracolo della regolazione della vita: qual è il segreto della catalisi dell'oloenzima?
Gli enzimi sono catalizzatori indispensabili nei processi vitali e, tra questi enzimi, gli enzimi allosterici presentano caratteristiche straordinarie con i loro meccanismi regolatori unici. Il funzionamento degli oloenzimi non è limitato ai loro siti attivi. Legandosi ai modulatori allosterici, questi enzimi possono produrre cambiamenti significativi di affinità in diversi siti di legame. Questo fenomeno è chiamato effetto "a distanza". Questa modalità di regolazione è fondamentale per molti processi biologici fondamentali, soprattutto nella segnalazione cellulare e nella regolazione metabolica.
La regolazione dell'oloenzima è il cambiamento che avviene nelle proteine legandosi alle molecole effettrici nei loro siti inattivi.
L'oloenzima non deve necessariamente essere sotto forma di polimero. Molti studi hanno dimostrato che un singolo sistema enzimatico può anche presentare proprietà oloenzimatiche. Nel campo della biochimica, la regolazione dell'oloenzima (o controllo dell'oloenzima) si riferisce alla regolazione delle proteine legando una molecola effettrice. La posizione in cui si lega la molecola effettrice è chiamata sito dell'oloenzima. Questi siti oloenzimatici consentono alle molecole effettrici di legarsi alla proteina, spesso causando cambiamenti conformazionali che coinvolgono la dinamica della proteina. Le molecole effettrici che aumentano l'attività delle proteine sono chiamate attivatori dell'oloenzima, mentre quelle che riducono l'attività sono chiamate inibitori dell'oloenzima.
La regolazione dell'oloenzima presenta naturalmente paradigmi di cicli di controllo, come il feedback dai prodotti a valle o il feedforward dai substrati a monte. Gli effetti dell'oloenzima a lungo raggio sono particolarmente importanti nella segnalazione cellulare. Questo meccanismo di regolazione consente alle cellule di regolare l’attività enzimatica per mantenere l’omeostasi interna in un ambiente che cambia.
Il termine regolazione dell'oloenzima deriva dal greco, che significa "altro oggetto solido" e sottolinea la differenza fisica tra il sito regolatore della proteina oloenzima e il suo sito attivo.
La reazione catalitica dell'oloenzima è fondamentale negli organismi viventi perché la velocità delle reazioni non catalizzate è estremamente lenta. Uno dei fattori chiave dell'evoluzione delle proteine è l'ottimizzazione dell'attività catalitica attraverso la dinamica delle proteine. A differenza degli enzimi senza domini o subunità di accoppiamento, la maggior parte degli oloenzimi hanno più domini o subunità di accoppiamento che mostrano proprietà di legame cooperativo. Questa cooperatività spesso si traduce in una curva a forma di S nella dipendenza dell'oloenzima dalla concentrazione del suo substrato, consentendogli di regolare significativamente la sua produzione catalitica in risposta a piccoli cambiamenti nella concentrazione delle molecole effettrici.
Le molecole effettrici possono essere il substrato stesso (molecole effettrici omogenee) o altre piccole molecole (molecole effettrici eterogenee) che ridistribuiscono il legame enzimatico tra stati ad alta affinità e stati a bassa affinità. Il sito di legame della molecola effettrice eterogenea, spesso chiamato sito oloenzimatico, è relativamente indipendente dal sito attivo ma è accoppiato termodinamicamente.
Il database degli oloenzimi (ASD) fornisce una risorsa centrale per visualizzare, cercare e analizzare la struttura, la funzione e le annotazioni associate degli oloenzimi e dei loro regolatori.
Come classico esempio di oloenzima, sebbene l'emoglobina non sia un enzima, l'interpretazione preliminare delle sue proprietà oloenzimatiche e della struttura cristallina ha gettato le basi per la ricerca successiva. Recentemente, l'aspartato carbossiltransferasi (ATCase) dell'Escherichia coli intestinale è diventato un altro buon esempio di regolazione dell'intero enzima. Le proprietà cinetiche dell'oloenzima possono spesso essere spiegate dai suoi cambiamenti conformazionali tra uno "stato teso (T)" a bassa attività e bassa affinità e uno "stato rilassato (R) ad alta attività e alta affinità".
Queste forme enzimatiche strutturalmente caratterizzate sono state confermate in diversi oloenzimi conosciuti. Tuttavia, il meccanismo di conversione tra i due non è completamente compreso. Per quanto riguarda la regolazione dell'oloenzima, sono stati proposti due modelli principali: il "modello di collaborazione" di Monod, Wyman e Changeux e il "modello di sequenza" di Koshland, Nemethy e Filmer. I modelli di cooperazione credono che le proteine abbiano due stati globali "tutto o niente", mentre i modelli di sequenza credono che ci siano molti diversi stati conformazionali/energetici globali.
Sebbene entrambi i modelli forniscano qualche spiegazione per il comportamento dell'oloenzima, non sono ancora in grado di spiegare completamente il comportamento legante dell'oloenzima. Attualmente, una combinazione di tecniche fisiche (ad esempio, cristallografia a raggi X, diffusione di raggi X a piccolo angolo o SAXS) e tecniche genetiche (mutagenesi sito-diretta o SDM) può migliorare la nostra comprensione dell'oloenzima.
Questo raffinato meccanismo di regolazione mostra senza dubbio la capacità di autoadattamento degli organismi. Quindi, quale saggezza più profonda della vita rivela il mistero della catalisi dell'oloenzima?
