ALLOSTERISKE ENZYMER: KJENNETEGN, VIRKNINGSMEKANISMER, EKSEMPLER - BIOLOGI - 2026

Et allosterisk enzym (fra det greske: allo, forskjellige + stereoer, tredimensjonalt rom) er et protein der indirekte interaksjoner oppstår mellom topografisk forskjellige steder, ved binding av substrater og regulatoriske molekyler (ligander).

Bindingen av en ligand til et spesifikt sted påvirkes av bindingen av en annen effektorligand (eller modulatorligand) til et annet (allosterisk) sted på enzymet. Dette er kjent som allosteriske interaksjoner, eller samarbeidsinteraksjoner.

Eksempel på et enzym. Kilde: Thomas Shafee

Når effektorliganden øker bindingsaffiniteten til en annen ligand til enzymet, er kooperativiteten positiv. Når tilhørigheten avtar, er samarbeidsvilligheten negativ. Hvis to identiske ligander deltar i den kooperative interaksjonen, er effekten homotropisk, og hvis de to ligandene er forskjellige, er effekten heterotrop.

Kooperativ interaksjon gir reversible endringer i molekylstrukturen til enzymet, på tertiær og kvartær strukturnivå. Disse endringene er kjent som konformasjonsendringer.

Historie

Konseptet med allosterisk interaksjon dukket opp for mer enn 50 år siden. Det har utviklet seg gjennom tid, nemlig:

-I 1903 ble den sigmoidale kurven for binding av hemoglobin til oksygen observert.

-I 1910 ble den sigmoidale kurven for O _2- binding til hemoglobin matematisk beskrevet ved bruk av Hills ligning.

-I 1954 viste Novick og Szilard at et enzym lokalisert i begynnelsen av en metabolske vei ble hemmet av sluttproduktet av denne veien, som er kjent som negativ tilbakemelding.

-I 1956 oppdaget Umbarger at L-treonindeaminase, det første enzymet i L-isoleucin-biosynteseveien, ble hemmet av L-isoleucin, og at det ikke viste typisk Michaelis-Menten-kinetikk med en hyperbolsk kurve, snarere hadde den en sigmoidal kurve.

-I 1963, Perutz et al., Oppdaget gjennom røntgenstråler konformasjonsendringer i strukturen av hemoglobin når det binder seg til oksygen. Monod og Jacob ga nytt navn til reguleringssidene til "allosteriske nettsteder."

-I 1965 foreslo Monod, Wyman og Changeux den symmetriske modellen, eller MWC-modellen (innledende bokstaver til Monod, Wyman og Changeux) for å forklare allosteriske interaksjoner.

-I 1966 foreslo Koshland, Nemethy og Filmer den sekvensielle eller induserte koblingsmodellen, eller KNF-modellen, for å forklare allosteriske interaksjoner.

-I 1988 demonstrerte røntgenstrukturen til aspartat-transkarbamylase den symmetriske modellen postulert av Monod, Wyman og Changeux.

-I 1990-årene ble mutasjoner, kovalente modifikasjoner og pH-endringer betraktet som allosteriske effekter.

-I 1996 demonstrerte røntgenstrukturen til lac-repressoren allosteriske overganger.

Handlingsmekanismer og eksempler

- Kjennetegn på MWC- og KNF-modellene for allosterisk regulering

MWC-modell

Den opprinnelige hypotesen om MWC-modellen foreslo følgende (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Allosteriske proteiner er oligomerer som består av symmetrisk relaterte protomerer. Protomerer består av polypeptidkjeder eller underenheter.

Oligomerer har minst to konformasjonstilstander (R og T). Begge delstater (av den kvartære strukturen) etablerer spontant en likevekt, med eller uten bundet ligand.

Når overgangen fra en tilstand til en annen skjer, blir symmetri bevart, og affiniteten til et sted (eller flere) stereospesifikke steder for en ligand blir endret.

På denne måten følger den kooperative bindingen av ligandene fra det kooperative samspillet mellom underenheter.

KNF-modell

KNF-modellhypotesen foreslo følgende (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Ligandbinding produserer en endring i tertiær struktur i en underenhet. Denne endringen i konformasjon påvirker nærliggende underenheter.

Bindingsaffiniteten til proteinliganden avhenger av antall ligander som den holder sammen. Dermed har allosteriske proteiner flere konformasjonstilstander som inkluderer mellomliggende tilstander.

I løpet av de siste fem tiårene har MWC- og KNF-modellene blitt evaluert gjennom biokjemiske og strukturelle studier. Det ble vist at mange allosteriske proteiner, inkludert enzymer, samsvarer med det som er foreslått i MWC-modellen, selv om det er unntak.

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

Allosteriske enzymer er ofte større og mer komplekse enn ikke-allosteriske enzymer. Aspartattranskarbamylase (Asp-transkarbamylase eller ATCase) og fosfofruktokinase-1 (PFK-1) er klassiske eksempler på allosteriske enzymer som er i samsvar med MWC-modellen.

AT House of

ATCase katalyserer den første reaksjonen av pyrimidinnukleotidbiosynteseveien (CTP og UTP) og bruker Asp som et underlag. Strukturen til ATCase består av katalytiske og regulatoriske underenheter. ATCasen har to konformasjonstilstander R og T. Symmetrien mellom disse to tilstandene er bevart.

Kinetikken til ATCase (den opprinnelige hastigheten for ATCase med forskjellige konsentrasjoner av aspartat) er preget av en sigmoidkurve. Dette indikerer at ATCasa har en samarbeidsoppførsel.

ATCase er tilbakemelding hemmet av CTP. Sigmoidkurven til ATCase, i nærvær av CTP, er til høyre for sigmoidkurven til ATCase i fravær av CTP. Det er påvist en økning i verdien av Michaelis-Menten-konstanten (K _m ).

Det vil si at i nærvær av CTP krever ATCase en høyere konsentrasjon av aspartat for å nå halvparten av den maksimale hastigheten (V _maks ), sammenlignet med ATCase i fravær av CTP.

Avslutningsvis er CTP en heterotropisk negativ allosterisk effektor fordi den reduserer affiniteten til ATCase for aspartat. Denne oppførselen er kjent som negativ samarbeid.

PFK - 1

PFK-1 katalyserer den tredje reaksjonen av glykolysebanen. Denne reaksjonen består av overføringen av en fosfatgruppe fra ATP til fruktose 6-fosfat. Strukturen til PFK-1 er en tetramer, som viser to konformasjonstilstander R og T. Symmetrien mellom disse to tilstandene er bevart.

Kinetikken til PFK-1 (den innledende hastighet med forskjellige konsentrasjoner av fruktose 6-fosfat) utviser en sigmoidkurve. PFK-1 er underlagt kompleks allosterisk regulering av ATP, AMP og frutose-2,6-bisfosfat, nemlig:

Sigmoidkurven til PFK-1, i nærvær av en høy ATP-konsentrasjon, er til høyre for sigmoidkurven ved en lav ATP-konsentrasjon (figur 4). Det er påvist en økning i verdien av Michaelis-Menten-konstanten (K _m ).

I nærvær av en høy konsentrasjon av ATP, krever PFK-1 en høyere konsentrasjon av fruktose 6-fosfat for å nå halvparten av den maksimale hastighet (V _maks ).

Avslutningsvis er ATP, i tillegg til å være et substrat, en negativ heterotropisk allosterisk effektor fordi den reduserer affiniteten til PFK-1 for fruktose 6-fosfat.

Sigmoidkurven til PFK-1, i nærvær av AMP, ligger til venstre for sigmoidkurven til PFK-1 i nærvær av ATP. Det vil si at AMP eliminerer den hemmende effekten av ATP.

I nærvær av AMP krever PFK-1 en lavere konsentrasjon av fruktose 6-fosfat for å nå halvparten av den maksimale hastigheten (V _maks ). Dette manifesteres i det faktum at det er en nedgang i verdien av Michaelis-Menten-konstanten (K _m ).

Avslutningsvis er AMP en positiv heterotropisk allosterisk effektor fordi den øker bindingsaffiniteten til PFK-1 for fruktose 6-fosfat. Frutose-2,6-bisfosfat (F2,6BP) er en potent allosterisk aktivator av PFK-1 (figur 5), og dens oppførsel er lik den for AMP.

MWC-modellen er vanlig, men ikke universell

Av de totale proteinstrukturer som er avsatt i PDB (Protein databank), er halvparten oligomerer og den andre halvparten monomerer. Det er vist at kooperativitet ikke krever flere ligander, eller samlingen av flere underenheter. Dette er tilfelle for glukokinase og andre enzymer.

Glukokinase er monomer, har en polypeptidkjede og utviser sigmoidal kinetikk som respons på økt blodsukkerkonsentrasjon (Porter og Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Det er forskjellige modeller som forklarer kooperativ kinetikk i monomere enzymer, nemlig: mnemonisk modell, ligandindusert langsom overgangsmodell, tilfeldig tilsetning av underlag i biomolekylære reaksjoner, typer langsomme konformasjonsendringer, blant andre.

Studier av strukturen til glukokinase har støttet den mnemoniske modellen

Normal human glukokinase har en K _m 8 mm for glukose. Denne verdien ligger i nærheten av blodsukkerkonsentrasjonen.

Det er pasienter som lider av pes-resistent hyperinsulinemi i barndommen (PHHI). Den glukokinase av disse pasientene har en lavere K- _m for glukose enn normale glucokinases, og kooperativiteten er betydelig redusert.

Følgelig har disse pasientene en glukokinasevariant som er hyperaktiv, som i alvorlige tilfeller kan være dødelig.

Anvendelser av allosterisme

Tømming og katalyse er nært knyttet sammen. På grunn av dette kan allosteriske effekter påvirke katalyseegenskaper som ligandbinding, ligandfrigjøring.

Allosteriske bindingssider kan være mål for nye medisiner. Dette er fordi den allosteriske effektoren kan påvirke enzymets funksjon. Identifisering av allosteriske steder er det første trinnet i oppdagelsen av medisiner som forbedrer enzymfunksjonen.

referanser

1. Changeux, JP 2012. Allosteri og Monod-Wyman-Changeux-modellen Etter 50 år. Årlig gjennomgang av biofysikk og biomolekylær struktur, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 år med allosteriske interaksjoner: vendingen av modellene. Molecular Cell Biology, in Nature Reviews, 14: 1–11.
3. Goodey, NM og Benkovic, SJ 2008. Allosterisk regulering og katalyse dukker opp via en felles rute. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Strukturelt grunnlag for allosterisk regulering av det monomere allosteriske enzymet humant glukokinase. Struktur, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Sammenligning av eksperimentelle bindingsdata og teoretiske modeller i proteiner som inneholder underenheter. Biokjemi, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Om naturen til allosteriske overganger: en plausibel modell. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL og Cox, MM, 2008. Lehninger - Principles of Biochemistry. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM og Miller, BG 2012. Kooperativitet i monomere enzymer med enkeltligandbindende steder. Bioorganic Chemistry, 43: 44-50.
9. Voet, D. og Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley og sønner, USA.