АЛОСТЕРИЧНИ ЕНЗИМИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, МЕХАНИЗМИ НА ДЕЙСТВИЕ, ПРИМЕРИ - БИОЛОГИЯ - 2025

Един алостеричен ензим (от гръцки: ало, различни + стерео, триизмерното пространство) е протеин, в които се непреки взаимодействия между топографски различни места, чрез свързването на субстрати и регулаторни молекули (лиганди).

Свързването на лиганд с конкретен сайт се влияе от свързването на друг ефекторен лиганд (или модулаторен лиганд) с различен (алостеричен) сайт на ензима. Това е известно като алостерични взаимодействия или съвместни взаимодействия.

Пример за ензим. Източник: Томас Шафи

Когато ефекторният лиганд повишава афинитета на свързване на друг лиганд към ензима, кооперативността е положителна. Когато афинитетът намалява, кооперативността е отрицателна. Ако две еднакви лиганди участват в взаимодействието на кооперацията, ефектът е хомотропен, а ако двата лиганда са различни, ефектът е хетеротропен.

Кооперативното взаимодействие води до обратими промени в молекулната структура на ензима, на ниво третична и четвъртична структура. Тези промени са известни като конформационни промени.

история

Концепцията за алостерично взаимодействие се появи преди повече от 50 години. Тя се е развила във времето, а именно:

-През 1903 г. се наблюдава сигмоидалната крива на свързване на хемоглобина с кислорода.

-В 1910 г., на сигмоидална крива на О ₂ свързване към хемоглобина е математически описан с помощта на уравнение на Хил.

През 1954 г. Новик и Силард показаха, че ензимът, разположен в началото на метаболитния път, е инхибиран от крайния продукт на този път, който е известен като отрицателна обратна връзка.

-През 1956 г. Umbarger открива, че L-треонин дезаминазата, първият ензим от пътя на биосинтеза на L-изолевцина, е инхибиран от L-изолевцин и че не проявява типична кинетика на Майкълс-Ментен с хиперболична крива, т.е. по-скоро имаше сигмоидална крива.

През 1963 г., Perutz et al., Откриха чрез рентгенови конформационни промени в структурата на хемоглобина, когато той се свързва с кислород. Монод и Яков преименуват регулаторните сайтове на „алостерични места“.

-През 1965 г. Monod, Wyman и Changeux предлагат симетричния модел или MWC модела (начални букви на Monod, Wyman и Changeux), за да обяснят алостеричните взаимодействия.

-През 1966 г. Koshland, Nemethy и Filmer предлагат последователния или индуциран модел на свързване или модел KNF, за да обяснят алостеричните взаимодействия.

-През 1988 г. рентгеновата структура на аспартат-транкарбамилаза демонстрира симетричния модел, постулиран от Monod, Wyman и Changeux.

-През 90-те години мутациите, ковалентните модификации и промените на pH се считат за алостерични ефектори.

-През 1996 г. рентгеновата структура на лак репресора демонстрира алостерични преходи.

Механизми на действие и примери

-Характеристики на MWC и KNF моделите на алостерично регулиране

MWC модел

Първоначалната хипотеза на MWC модела предлага следното (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Алостеричните протеини са олигомери, изградени от симетрично свързани протомери. Протомерите са изградени от полипептидни вериги или субединици.

Олигомерите имат най-малко две състояния на конформация (R и T). И двете състояния (на кватернерната структура) спонтанно установяват равновесие, със или без свързан лиганд.

Когато настъпи преходът от едно състояние в друго, симетрията се запазва и афинитетът на сайт (или няколко) стереоспецифични места за лиганд се променя.

По този начин кооперативното свързване на лигандите следва от съвместното взаимодействие между субединици.

Модел KNF

Хипотезата на модела KNF предлага следното (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Свързването на лиганда произвежда промяна в третичната структура на субединица. Тази промяна в конформацията засяга съседните подединици.

Афинитетът на свързване на протеиновия лиганд зависи от броя на лигандите, които държи заедно. По този начин алостеричните протеини имат множество конформационни състояния, които включват междинни състояния.

През последните пет десетилетия моделите MWC и KNF са оценени чрез биохимични и структурни проучвания. Показано е, че многобройни алостерични протеини, включително ензими, съответстват на предложеното в MWC модела, въпреки че има изключения.

Модел MWC и алостерични ензими (или алостерични регулаторни ензими)

Алостеричните ензими често са по-големи и сложни от не-алостеричните ензими. Аспартат транскарбамилаза (Asp транскарбамилаза или ATCase) и фосфофруктокиназа-1 (PFK-1) са класически примери на алостерични ензими, които съответстват на модела MWC.

AT House на

ATCase катализира първата реакция на пътя на биосинтеза на пиримидин нуклеотид (CTP и UTP) и използва Asp като субстрат. Структурата на ATCase се състои от каталитични и регулаторни субединици. ATCase има две конформационни състояния R и T. Симетрията между тези две състояния е запазена.

Кинетиката на ATCase (началната скорост на ATCase с различни концентрации на аспартат) се характеризира със сигмоидна крива. Това показва, че ATCasa има кооперативно поведение.

ATCase е обратна връзка, инхибирана от CTP. Сигмоидната крива на ATCase, в присъствието на CTP, е вдясно от сигмоидната крива на ATCase при липса на CTP. Доказано е увеличение на стойността на константата Майкъл-Ментен (K _m).

Тоест, в присъствието на CTP, ATCase изисква по-висока концентрация на аспартат, за да достигне половината от максималната скорост (V _max), в сравнение с ATCase при отсъствие на CTP.

В заключение, CTP е хетеротропен отрицателен алостеричен ефект, тъй като намалява афинитета на ATCase към аспартат. Това поведение е известно като отрицателна кооперативност.

PFK - 1

PFK-1 катализира третата реакция на пътя на гликолизата. Тази реакция се състои в прехвърлянето на фосфатна група от АТФ към фруктоза 6-фосфат. Структурата на PFK-1 е тетрамер, който показва две конформационни състояния R и T. Симетрията между тези две състояния е запазена.

Кинетиката на PFK-1 (началната скорост с различни концентрации на фруктоза 6-фосфат) показва сигмоидна крива. PFK-1 подлежи на сложна алостерична регулация от ATP, AMP и фрутоза-2,6-бисфосфат, а именно:

Сигмоидната крива на PFK-1, при наличието на висока концентрация на АТФ, е вдясно от сигмоидната крива при ниска концентрация на АТФ (Фигура 4). Доказано е увеличение на стойността на константата Майкъл-Ментен (K _m).

При наличие на висока концентрация на АТФ, PFK-1 изисква по-висока концентрация на фруктоза 6-фосфат, за да достигне половината от максималната скорост (V _max).

В заключение, ATP, освен че е субстрат, е отрицателен хетеротропен алостеричен ефектор, тъй като намалява афинитета на PFK-1 към фруктоза 6-фосфат.

Сигмоидната крива на PFK-1, в присъствието на AMP, лежи вляво от сигмоидната крива на PFK-1 в присъствието на ATP. Тоест, AMP елиминира инхибиращия ефект на ATP.

В присъствието на AMP, PFK-1 изисква по-ниска концентрация на фруктоза 6-фосфат, за да достигне половината от максималната скорост (V _max). Това се проявява във факта, че има намаляване на стойността на константата на Михаилис-Ментен (K _m).

В заключение, AMP е положителен хетеротропен алостерен ефект, тъй като увеличава афинитета на свързване на PFK-1 към фруктоза 6-фосфат. Фрутоза-2,6-бисфосфат (F2,6BP) е мощен алостеричен активатор на PFK-1 (фигура 5) и неговото поведение е подобно на това на AMP.

Моделът MWC е често срещан, но не и универсален

От общите протеинови структури, депозирани в PDB (Protein data bank), половината са олигомери, а другата половина са мономери. Доказано е, че кооперативността не изисква множество лиганди или сглобяването на множество субединици. Такъв е случаят с глюкокиназата и други ензими.

Глюкокиназата е мономерна, има полипептидна верига и проявява сигмоидална кинетика в отговор на повишена концентрация на кръвна глюкоза (Porter and Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Има различни модели, които обясняват кооперативната кинетика в мономерните ензими, а именно: мнемоничен модел, индуциран от лиганд модел на бавен преход, произволно добавяне на субстрати в биомолекулярни реакции, видове бавни конформационни промени, наред с други.

Проучванията на структурата на глюкокиназата подкрепиха мнемоничния модел

Нормалната човешка глюкокиназа има K _m от 8 mM за глюкоза. Тази стойност е близка до концентрацията на глюкоза в кръвта.

Има пациенти, които страдат от резистентна на песин хиперинсулинемия от детството (PHHI). Глюкокиназата при тези пациенти има по-нисък К _m за глюкоза в сравнение с нормалните глюкокинази и кооперативността е значително намалена.

Следователно, тези пациенти притежават хиперактивен глюкокиназен вариант, който в тежки случаи може да бъде фатален.

Приложения на алостеризъм

Алострията и катализата са тясно свързани. Поради това алостеричните ефекти могат да повлияят на каталитичните характеристики като свързване на лиганда, освобождаване на лиганда.

Алостеричните сайтове за свързване могат да бъдат мишени за нови лекарства. Това е така, защото алостеричният ефектор може да повлияе на функцията на ензима. Идентифицирането на алостерични места е първата стъпка в откриването на лекарства, които повишават ензимната функция.

Препратки

1. Changeux, JP 2012. Allostery и моделът Monod-Wyman-Changeux След 50 години. Годишен преглед на биофизиката и биомолекулярната структура, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 години алостерични взаимодействия: обрати на моделите. Молекулярна клетъчна биология, в Nature Reviews, 14: 1–11.
3. Goodey, NM и Benkovic, SJ 2008. Алостеричната регулация и катализата възникват по общ маршрут. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Структурна основа за алостерична регулация на мономерния алостеричен ензим човешка глюкокиназа. Структура, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Сравнение на данни за експериментално свързване и теоретични модели в протеини, съдържащи субединици. Биохимия, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. За характера на алостеричните преходи: правдоподобен модел. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL и Cox, MM, 2008. Lehninger - Принципи на биохимията. WH Freeman and Company, Ню Йорк.
8. Porter, CM и Miller, BG 2012. Сътрудничество в мономерни ензими с единични лиганд-свързващи места. Биоорганична химия, 43: 44-50.
9. Voet, D. и Voet, J. 2004. Биохимия. Джон Уайли и синове, САЩ.