Regolazione allosterica: modello simmetrico e sequenziale

Una delle caratteristiche fondamentali della vita è l'alto grado di controllo esercitato in quasi tutti i suoi processi. La regolazione viene esercitata ad ogni livello di organizzazione nei sistemi viventi, dal controllo della velocità delle reazioni a livello molecolare, mediante il controllo dell'espressione dell'informazione genica a livello cellulare, al controllo del comportamento a livello dell'organismo. Invece, la regolazione del legame del ligande all'emoglobina (o ad un'altra proteina) avviene attraverso interazioni allosteriche (allos, altri + stereos, spazio). Queste interazioni cooperative avvengono quando il legame di un ligande ad un sito specifico viene influenzato dal legame di un altro ligande, detto effettore o modulatore, a livello di siti diversi (allosterici) nella proteina. Se i ligandi sono identici, il fenomeno viene detto effetto omotropico, mentre se i ligandi sono diversi, viene detto effetto eterotropico. Questi effetti, inoltre, possono essere positivi o negativi a seconda che il ligande aumenti o diminuisca l'affinità del legame alla proteina. L'emoglobina presenta sia effetti omotropici che eterotropici. Il legame dell'ossigeno all'Hb determina un effetto omotropico positivo in quanto aumenta l'affinità dell'emoglobina per l'O2. Al contrario, il BPG, la CO2, l'H+ e il Cl- sono effettori eterotropici negativi del legame dell'O2 all'Hb, in quanto diminuiscono la sua affinità per l'O2 (negativi) e sono chimicamente diversi alla stessa O2 (eterotropici). L'affinità dell'Hb per l'O2, come abbiamo visto dipende dalla sua struttura quaternaria. In generale, gli effetti allosterici derivano da interazioni tra subunità di proteine oligomeriche.
IL MODELLO SIMMETRICO
Forse il modello più elegante per descrivere il legame cooperativo di un ligande ad una proteina è il modello simmetrico dell'allosterismo. Questo modello detto anche modello MWC (Monod, Wyman e Changeux) è definito dalle seguenti regole:
1.Una proteina allosterica è un oligomero di protomeri simmetricamente correlati (per l'emoglobina dovremmo assumere, per una maggiore semplicità, che tutte e quattro le subunità siano funzionalmente identiche);
2.Ogni protomero può esistere in (almeno) due stati conformazionali, chiamati T e R, e questi stati sono in equilibrio sia che il ligande sia legato o no all'oligomero;
3.Il ligande si può legare al protomero in qualsiasi conformazione e soltanto il cambio conformazionale modifica l'affinità del protomero per il ligande;
4.La simmetria molecolare della proteina viene conservata durante il cambio conformazionale, in poche parole non vi devono essere oligomeri che contengano sia protomeri nello stato T che nello stato R;
A questo punto in assenza di ligandi i due stati della proteina allosterica si trovano in equilibrio:    R° <-->  T°, °= assenza ligandi. La costante di equilibrio L per l'interconversione conformazionale della proteina oligomerica in assenza di ligande è espressa da: L=T/R. In questa equazione, dunque, possiamo notare che se L è grande la quantità di proteina nello stato conformazionale T è molto più grande di quella nello stato R, quindi se L è un numero grande la cooperatività a sua volta risulterà molto grande. In presenza, invece, di effettori eterotropici positivi il valore di L si abbassa, in quanto si ha un aumento di protomeri R, il che significa che sono disponibili più siti di legame per il substrato S. Per questa ragione si ha una diminuzione della cooperatività. Nel caso, invece, di effettori negativi avremo un aumento dei protomeri T, un innalzamento del valore di L e di conseguenza un aumento della cooperatività (perché l'effettore eterotropico negativo inibisce il legame). Quindi, l'effettore positivo di lega alla conformazione R mentre quello negativo alla conformazione T.
IL MODELLO SEQUENZIALE
Nel modello sequenziale o ad adattamento indotto, il legame del ligande induce una modificazione conformazionale in una subunità; queste variazioni conformazionali influiscono sulle subunità vicine. L'essenza del modello sequenziale sta nel fatto che l'affinità della proteina per il legame del ligande varia con il numero di molecole di ligande legate, mentre nel modello simmetrico, questa affinità dipendeva solo dalla struttura quaternaria della proteina. L'emoglobina segue il modello simmetrico, ma alcune proprietà sono tipiche invece del modello sequenziale. Queste proteina, infatti, non è composta sa subunità identiche, come richiede il modello simmetrico. Almeno in una prima approssimazione, le differenze funzionali delle subunità α e β dell'emoglobina molto simili tra loro possono essere trascurate (anche se le loro differenze strutturali sono essenziali per il meccanismo molecolare della cooperatività dell'Hb); quindi fatta questa approssimazione l'emoglobina segue il modello simmetrico. Inoltre, il cambio conformazionale quaternario T→R è concertato, come richiede il precedente modello. Tuttavia, il legame del ligande allo stato T causa delle piccole modificazioni della struttura terziaria, come è predetto dal modello dell'adattamento indotto. Per questo, entrambi i modelli sono spesso strumenti indispensabili per definire il comportamento allosterico di una proteina.