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Decifrando o milagre da regulação da vida: Qual é o segredo da catálise holoenzimática?
As enzimas são catalisadores indispensáveis nos processos vitais e, entre essas enzimas, as enzimas alostéricas exibem características extraordinárias com seus mecanismos reguladores únicos. A operação das holoenzimas não se limita aos seus sítios ativos. Ao se ligarem a moduladores alostéricos, essas enzimas podem produzir alterações significativas de afinidade em diferentes sítios de ligação. Este modo de regulação é crítico para muitos processos biológicos fundamentais, especialmente na sinalização celular e na regulação metabólica.
A regulação holoenzimática é a mudança que ocorre nas proteínas através da ligação a moléculas efetoras em seus locais inativos.
A holoenzima não precisa necessariamente estar na forma de um polímero. Muitos estudos mostraram que um único sistema enzimático também pode exibir propriedades holoenzimáticas. No campo da bioquímica, a regulação da holoenzima (ou controle da holoenzima) refere-se à regulação de proteínas pela ligação de uma molécula efetora. O local onde a molécula efetora se liga é chamado de sítio da holoenzima. Esses locais holoenzimáticos permitem que moléculas efetoras se liguem à proteína, muitas vezes causando alterações conformacionais envolvendo a dinâmica proteica. As moléculas efetoras que aumentam a atividade proteica são chamadas de ativadores de holoenzimas, enquanto aquelas que reduzem a atividade são chamadas de inibidores de holoenzimas.
A regulação da holoenzima exibe naturalmente paradigmas de loops de controle, como feedback de produtos downstream ou feedforward de substratos upstream. Os efeitos da holoenzima de longo alcance são particularmente importantes na sinalização celular. Este mecanismo regulador permite que as células ajustem a atividade enzimática para manter a homeostase interna num ambiente em mudança.
O termo regulação holoenzimática tem origem no grego, que significa “outro objeto sólido” e aponta a diferença física entre o sítio regulatório da proteína holoenzimática e seu sítio ativo.
A reação catalítica da holoenzima é crucial nos organismos vivos porque a taxa de reações não catalisadas é extremamente lenta. Um dos principais impulsionadores da evolução das proteínas é a otimização da atividade catalítica através da dinâmica das proteínas. Em contraste com enzimas sem domínios ou subunidades de acoplamento, a maioria das holoenzimas possui múltiplos domínios ou subunidades de acoplamento que apresentam propriedades de ligação cooperativa. Esta cooperatividade resulta frequentemente numa curva em forma de S na dependência da holoenzima na sua concentração de substrato, permitindo-lhe ajustar significativamente a sua produção catalítica em resposta a pequenas alterações na concentração de moléculas efetoras.
As moléculas efetoras podem ser o próprio substrato (moléculas efetoras homogêneas) ou outras moléculas pequenas (moléculas efetoras heterogêneas) que redistribuem a ligação da enzima entre estados de alta e baixa afinidade. O sítio de ligação da molécula efetora heterogênea, frequentemente chamado de sítio holoenzimático, é relativamente independente do sítio ativo, mas é acoplado termodinamicamente.
O banco de dados de holoenzimas (ASD) fornece um recurso central para exibir, pesquisar e analisar a estrutura, função e anotações associadas de holoenzimas e seus reguladores.
Como exemplo clássico de holoenzima, embora a hemoglobina não seja uma enzima, a interpretação preliminar de suas propriedades holoenzimáticas e estrutura cristalina lançou as bases para pesquisas subsequentes. Recentemente, a aspartato carboxiltransferase (ATCase) da Escherichia coli intestinal tornou-se outro bom exemplo de regulação da enzima completa. As propriedades cinéticas da holoenzima podem muitas vezes ser explicadas por suas mudanças conformacionais entre um "estado tenso (T)" de baixa atividade e baixa afinidade e um "estado relaxado (R)" de alta atividade e alta afinidade.
Essas formas enzimáticas estruturalmente caracterizadas foram confirmadas em diversas holoenzimas conhecidas. No entanto, o mecanismo de conversão entre os dois não é totalmente compreendido. No que diz respeito à regulação das holoenzimas, foram propostos dois modelos principais: o "modelo de colaboração" de Monod, Wyman e Changeux e o "modelo de sequência" de Koshland, Nemethy e Filmer. Os modelos de cooperação acreditam que as proteínas têm dois estados globais "tudo ou nada", enquanto os modelos de sequência acreditam que existem muitos estados conformacionais/energéticos globais diferentes.
Embora ambos os modelos forneçam alguma explicação para o comportamento da holoenzima, eles ainda não conseguem explicar completamente o comportamento de ligação da holoenzima. Atualmente, uma combinação de técnicas físicas (por exemplo, cristalografia de raios X, espalhamento de raios X de pequeno ângulo, ou SAXS) e técnicas genéticas (mutagênese dirigida ao local, ou SDM) pode melhorar nossa compreensão da holoenzima.
Este requintado mecanismo regulador mostra, sem dúvida, a capacidade de auto-ajuste dos organismos. Então, que sabedoria mais profunda da vida o mistério da catálise holoenzimática revela?
