A triptófano sintase foi o primeiro encima canalizador por tunelización descrito. O encima tetrámero é de 30 a 100 veces máis activo que as subunidades separadas, xa que o substrato pasa dunhas a outras por un túnel intramolecular sen ser liberado.
A canalización de substratos é o paso dun produto metabólico intermediario dun encima directamente a outro encima ou sitio activo sen que se libere previamente en solución. Cando varios encimas que actúan consecutivamente nunha vía metabólica canalizan os substratos entre eles, isto denomínase un metabolón. A canalización pode facer que unha vía metabólica sexa máis rápida e eficiente que o que sería se os encimas se distribuísen aleatoriamente polo citosol, ou impide a liberación de intermediarios inestables.[1] Pode tamén protexer un intermediario para que non sexa consumido por reaccións que compiten catalizadas por outros encimas.
Vantaxes da canalización
A canalización de substratos presenta unha serie de vantaxes, como son:
Evita a liberación de intermediarios inestables das reaccións protexéndoos de descomposición polo medio externo acuoso.
Pode facer que unha ruta metabólica sexa máis rápida e eficiente do que sería se os encimas estivesen aleatoriamente distribuídas no citosol ao reducir o tempo de tránsito de intermediarios.
Prevén a perda de intermediarios por difusión. Isto pode ser especialmente importante en casos de especies quimicas neutras, como o indol, que podería escapar da célula por difusión pasiva a través das membranas celulares.
Evita o fenómeno da competencia. Prevén a entrada de intermediarios en rutas metabólicas competidoras, protexéndoas de ser tomados como substratos e ser consumidos por reaccións competidoras catalizadas por outras encimas.
En caso de que os metabolitos intermediarios fosen tóxicos para a célula quedan secuestrados dentro do ambiente do complexo multiencimático ata quedar convertidos nun substrato final non tóxico.
Mecanismos
A canalización pode ocorrer de varias maneiras.
Brazo flexible oscilante. Unha posibilidade, que ocorre no complexo da piruvato deshidroxenase consiste en que o substrato está unido a un brazo flexible que se move entre varios sitios activos.[2]
Túnel. Outra posibilidade é que haxa dous sitios activos conectados por un túnel a través da proteína e o substrato se mova a través do túnel; este mecanismo obsérvase na triptófano sintase.[1] A presenza de canais na estrutura dun encima é unha característica bastante común observada en algo máis do 68% dos encimas, que teñen canais de acceso ao sitio activo, que nalgúns casos se utilizan para a canalización.[3]
Canalización electrostática. Unha terceira posibilidade é que exista unha rexión cargada sobre a superficie do encima que actúa como unha vía ou "autoestrada electrostática" para guiar o substrato, que ten carga oposta, desde un sitio activo a outro; un exemplo desta modalidade é a do encima bifuncional dihidrofolato redutase-timidilato sintase.[4] A canalización do aminoacil-ARNt para a síntese proteica in vivo foi tamén descrita.[5]
Estrutura e cinética
Entre estes encimas canalizadores encóntranse características cinéticas e estruturais comúns. Os sitios activos poden estar localizados ben en dominios separados nun encima multifuncional ou en subunidades separadas nun complexo multiencimático estable.
Cando varios encimas consecutivos nunha canle dunha ruta metabólica forman complexos estruturais-funcionais temporais entre eles e os substratos son canalizados desde un ao seguinte fálase de metabolón. O metabolón é un complexo entre encimas secuenciais dunha ruta unidos por interaccións non covalentes, e elementos estruturais da célula tales como proteínas intregrais de membrana e proteínas do citoesqueleto. A formación de metabolóns permite a canalización de intermediarios metabólicos dun encima directamente como substrato no sitio activo do seguinte encima da ruta.[6]
Unha comparación dos resultados estruturais e cinéticos revela que estes encimas e os seus sitios activos frecuentemente mostran interaccións alostéricas que sincronizan as reaccións individuais promovendo unha canalización eficiente que prevén a acumulación do exceso de intermediario e a súa perda en disolución. O alosterismo fai referencia a que as estruturas cuaternarias das proteínas poden adoptar múltiples formas. O comportamento dun encima alostérico depende dos cambios de conformación segundo dous modelos, o concertado onde a conformación de todas as subunidades cambia simultaneamente e o secuencial, onde o cambio dunha subunidade facilita que outra cambie a súa conformación.
Por tanto, a canalización é unha característica xeral de procesos bioquímicos nos que participan complexos encimáticos. Un gran número de encimas forman complexos estables ou transitorios e mostran canalización ou transferencia directa de intermediarios.
