ALLOSTERISKE ENZYMER: KARAKTERISTIKA, VIRKNINGSMEKANISMER, EKSEMPLER - BIOLOGI - 2025

Et allosterisk enzym (fra det græske: allo, forskellige + stereoer, tredimensionelt rum) er et protein, hvor indirekte interaktioner forekommer mellem topografisk forskellige steder ved binding af substrater og regulatoriske molekyler (ligander).

Bindingen af ​​en ligand til et specifikt sted påvirkes af bindingen af ​​en anden effektorligand (eller modulatorligand) til et andet (allosterisk) sted på enzymet. Dette er kendt som allosteriske interaktioner eller kooperative interaktioner.

Eksempel på et enzym. Kilde: Thomas Shafee

Når effektorliganden øger bindingsaffiniteten af ​​en anden ligand til enzymet, er kooperativiteten positiv. Når affiniteten falder, er kooperativiteten negativ. Hvis to identiske ligander deltager i den kooperative interaktion, er virkningen homotrop, og hvis de to ligander er forskellige, er virkningen heterotrop.

Kooperativ interaktion producerer reversible ændringer i enzymets molekylstruktur på tertiær og kvartær struktur. Disse ændringer er kendt som konformationelle ændringer.

Historie

Begrebet allosterisk interaktion opstod for mere end 50 år siden. Det har udviklet sig gennem tiden, nemlig:

-I 1903 blev den sigmoide kurve for binding af hæmoglobin til ilt observeret.

-I 1910 sigmoidal kurve O ₂ binding blev til hæmoglobin matematisk beskrevet ved anvendelse af Hill ligning.

-I 1954 viste Novick og Szilard, at et enzym lokaliseret i begyndelsen af ​​en metabolisk vej blev hæmmet af slutproduktet af denne vej, der er kendt som negativ feedback.

-I 1956 opdagede Umbarger, at L-threonindeaminase, det første enzym i L-isoleucin-biosyntesestien, blev inhiberet af L-isoleucin, og at det ikke udviste typisk Michaelis-Menten-kinetik med en hyperbolsk kurve, snarere havde den en sigmoidal kurve.

-I 1963 opdagede Perutz et al. Gennem røntgenstråler konformationelle ændringer i hæmoglobins struktur, når det binder til ilt. Monod og Jacob omdøbte de regulerende websteder til "allosteriske websteder".

-I 1965 foreslår Monod, Wyman og Changeux den symmetriske model eller MWC-modellen (indledende bogstaver i Monod, Wyman og Changeux) for at forklare allosteriske interaktioner.

-I 1966 foreslog Koshland, Nemethy og Filmer den sekventielle eller inducerede koblingsmodel eller KNF-modellen for at forklare allosteriske interaktioner.

-I 1988 demonstrerede røntgenstrålestrukturen af ​​aspartat transcarbamylase den symmetriske model postuleret af Monod, Wyman og Changeux.

-I 1990'erne blev mutationer, kovalente modifikationer og pH-ændringer betragtet som allosteriske effekter.

-I 1996 demonstrerede lac-repressorens røntgenstruktur allosteriske overgange.

Handlingsmekanismer og eksempler

- Egenskaber af MWC- og KNF-modellerne for allosterisk regulering

MWC-model

Den originale hypotese om MWC-modellen foreslog følgende (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Allosteriske proteiner er oligomerer, der består af symmetrisk relaterede protomerer. Protomerer består af polypeptidkæder eller underenheder.

Oligomererne har mindst to konformationstilstande (R og T). Begge tilstande (med den kvaternære struktur) etablerer spontant en ligevægt, med eller uden bundet ligand.

Når overgangen fra en tilstand til en anden finder sted, bevares symmetri, og affiniteten af ​​et sted (eller flere) stereospecifikke steder mod en ligand ændres.

På denne måde følger den kooperative binding af liganderne fra den kooperative interaktion mellem underenheder.

KNF-model

KNF-modelhypotesen foreslog følgende (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Ligandbinding producerer en ændring i tertiær struktur i en underenhed. Denne ændring i konformation påvirker tilstødende underenheder.

Proteinligandens bindingsaffinitet afhænger af antallet af ligander, den holder sammen. Allosteriske proteiner har således flere konformationelle tilstande, der inkluderer mellemliggende tilstande.

I løbet af de sidste fem årtier er MWC- og KNF-modellerne evalueret gennem biokemiske og strukturelle undersøgelser. Det blev vist, at adskillige allosteriske proteiner, inklusive enzymer, er i overensstemmelse med, hvad der er foreslået i MWC-modellen, skønt der er undtagelser.

MWC-modellen og allosteriske enzymer (eller allosteriske regulatoriske enzymer)

Allosteriske enzymer er ofte større og mere komplekse end ikke-allosteriske enzymer. Aspartat-transcarbamylase (Asp-transcarbamylase eller ATCase) og phosphofructokinase-1 (PFK-1) er klassiske eksempler på allosteriske enzymer, der er i overensstemmelse med MWC-modellen.

AT House of

ATCase katalyserer den første reaktion af pyrimidin-nukleotid-biosyntesestien (CTP og UTP) og bruger Asp som et substrat. Strukturen af ​​ATCase består af katalytiske og regulatoriske underenheder. ATCasen har to konformationelle tilstande R og T. Symmetrien mellem disse to tilstande bevares.

Kinetikken for ATCase (den indledende hastighed af ATCase med forskellige koncentrationer af aspartat) er kendetegnet ved en sigmoidkurve. Dette indikerer, at ATCasa har en samarbejdsadfærd.

ATCase er feedback-inhiberet af CTP. Sigmoidkurven for ATCase, i nærvær af CTP, er til højre for sigmoidkurven for ATCase i fravær af CTP. Det fremgår af en stigning i værdien af ​​Michaelis-Menten-konstanten (K _m).

Det vil sige, at i nærværelse af CTP kræver ATCase en højere koncentration af aspartat for at nå halvdelen af ​​den maksimale hastighed (_Vmax) sammenlignet med ATCase i fravær af CTP.

Som konklusion er CTP en heterotropisk negativ allosterisk effektor, fordi det reducerer affiniteten af ​​ATCase for aspartat. Denne opførsel er kendt som negativ kooperativitet.

PFK - 1

PFK-1 katalyserer den tredje reaktion af glycolysebanen. Denne reaktion består af overførslen af ​​en phosphatgruppe fra ATP til fructose 6-phosphat. Strukturen af ​​PFK-1 er en tetramer, der udviser to konformationelle tilstande R og T. Symmetrien mellem disse to tilstande bevares.

Kinetikken af ​​PFK-1 (den indledende hastighed med forskellige koncentrationer af fructose 6-phosphat) udviser en sigmoidkurve. PFK-1 er underlagt kompleks allosterisk regulering af ATP, AMP og frutose-2,6-bisphosphat, nemlig:

Sigmoidkurven for PFK-1, i nærvær af en høj ATP-koncentration, er til højre for sigmoidkurven ved en lav ATP-koncentration (figur 4). Det fremgår af en stigning i værdien af ​​Michaelis-Menten-konstanten (K _m).

I nærvær af en høj koncentration af ATP kræver PFK-1 en højere koncentration af fructose 6-phosphat for at nå halvdelen af ​​den maksimale hastighed (_Vmax).

Som konklusion er ATP ud over at være et substrat en negativ heterotropisk allosterisk effektor, fordi det nedsætter affiniteten af ​​PFK-1 for fructose 6-phosphat.

Sigmoidkurven for PFK-1, i nærvær af AMP, ligger til venstre for sigmoidkurven for PFK-1 i nærvær af ATP. Det vil sige, AMP eliminerer den hæmmende virkning af ATP.

I nærvær af AMP kræver PFK-1 en lavere koncentration af fructose 6-phosphat for at nå halvdelen af ​​den maksimale hastighed (_Vmax). Dette manifesteres i det faktum, at der er et fald i værdien af ​​Michaelis-Menten-konstanten (K _m).

Afslutningsvis er AMP en positiv heterotropisk allosterisk effektor, fordi den forøger bindingsaffiniteten af ​​PFK-1 for fructose 6-phosphat. Frutose-2,6-bisphosphate (F2,6BP) er en potent allosterisk aktivator af PFK-1 (figur 5), og dens opførsel ligner den hos AMP.

MWC-modellen er almindelig, men ikke universel

Af de samlede proteinstrukturer, der er afsat i PDB (Proteindatabank), er halvdelen oligomerer og den anden halvdel monomerer. Det er vist, at kooperativitet ikke kræver flere ligander eller samlingen af ​​flere underenheder. Dette er tilfældet for glucokinase og andre enzymer.

Glucokinase er monomer, har en polypeptidkæde og udviser sigmoidal kinetik som respons på øget blodsukkerkoncentration (Porter og Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Der er forskellige modeller, der forklarer kooperativ kinetik i monomere enzymer, nemlig: mnemonisk model, ligandinduceret langsom overgangsmodel, tilfældig tilføjelse af substrater i biomolekylære reaktioner, typer af langsomme konformationelle ændringer, blandt andre.

Undersøgelser af strukturen af ​​glukokinase har understøttet den mnemoniske model

Normalt humant glucokinase har en K _m af 8 mM for glucose. Denne værdi er tæt på blodsukkerkoncentrationen.

Der er patienter, der lider af pes-resistent hyperinsulinæmi i barndommen (PHHI). Glucokinase i disse patienter har en lavere Km _m for glucose end normale glucokinases, og kooperativitet er signifikant reduceret.

Derfor har disse patienter en glucokinase-variant, der er hyperaktiv, hvilket i alvorlige tilfælde kan være dødelig.

Anvendelser af allosterisme

Alostry og katalyse er tæt forbundet. På grund af dette kan allosteriske effekter påvirke katalyseegenskaber, såsom ligandbinding, ligandfrigivelse.

Allosteriske bindingssteder kan være mål for nye lægemidler. Dette skyldes, at den allosteriske effektor kan påvirke enzymets funktion. Identifikation af allosteriske steder er det første trin i opdagelsen af ​​medikamenter, der forbedrer enzymfunktionen.

Referencer

1. Changeux, JP 2012. Allosteri og Monod-Wyman-Changeux modellen Efter 50 år. Årlig gennemgang af biofysik og biomolekylær struktur, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 års allosteriske interaktioner: modellernes drejninger. Molecular Cell Biology, in Nature Reviews, 14: 1–11.
3. Goodey, NM og Benkovic, SJ 2008. Allosterisk regulering og katalyse opstår via en fælles rute. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Strukturelt grundlag for allosterisk regulering af det monomere allosteriske enzym, humant glukokinase. Struktur, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Sammenligning af eksperimentelle bindingsdata og teoretiske modeller i proteiner indeholdende underenheder. Biokemi, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Om arten af ​​allosteriske overgange: en plausibel model. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL og Cox, MM, 2008. Lehninger - Principper for Biochemistry. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM og Miller, BG 2012. Samarbejde i monomere enzymer med enkelte ligand-bindingssteder. Bioorganisk kemi, 43: 44-50.
9. Voet, D. og Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley og sønner, USA.