ALLOSTEERISET ENTSYYMIT: OMINAISUUDET, VAIKUTUSMEKANISMIT, ESIMERKIT - BIOLOGIA - 2026

Allosteeriset entsyymi (Kreikan: allo, eri + stereolaitteet, kolmiulotteisessa tilassa) on proteiini, jossa epäsuora vuorovaikutus tapahtuu välillä topografisesti eri paikoissa, sitomalla substraatit ja säätelymolekyyleja (ligandeja).

Ligandin sitoutumiseen tiettyyn kohtaan vaikuttaa toisen efektoriligandin (tai modulaattoriligandin) sitoutuminen entsyymin erilaiseen (allosteerinen) kohtaan. Tätä kutsutaan allosteeriseksi vuorovaikutukseksi tai yhteistyöhön.

Esimerkki entsyymistä. Lähde: Thomas Shafee

Kun efektoriligandi lisää toisen ligandin sitoutumisaffiniteettia entsyymiin, yhteistyö on positiivista. Kun affiniteetti laskee, yhteistyökyky on negatiivinen. Jos kaksi identtistä ligandia osallistuu yhteistoimintavuorovaikutukseen, vaikutus on homotrooppinen, ja jos nämä kaksi ligandia ovat erilaisia, vaikutus on heterotrooppinen.

Yhteistoiminnallinen vuorovaikutus tuottaa palautuvia muutoksia entsyymin molekyylirakenteessa tertiäärisessä ja kvaternaarisessa rakenteessa. Nämä muutokset tunnetaan muodonmuutoksina.

Historia

Allosteerisen vuorovaikutuksen käsite syntyi yli 50 vuotta sitten. Se on kehittynyt ajan myötä, nimittäin:

- Vuonna 1903 havaittiin smogmoidinen käyrä, joka sitoutui hemoglobiiniin happea.

In 1910, s: n muotoista käyrä O ₂ sitoutumisen hemoglobiinin on kuvata matemaattisesti käyttäen Hillin yhtälöä.

- Vuonna 1954 Novick ja Szilard osoittivat, että tämän reitin lopputuote, joka tunnetaan negatiivisena palautteena, estää metabolisen reitin alussa sijaitsevan entsyymin.

- Vuonna 1956 Umbarger havaitsi, että L-isoleusiini inhiboi L-treoniinideaminaasia, L-isoleusiinin biosynteesireitin ensimmäistä entsyymiä, ja että sillä ei ollut tyypillistä Michaelis-Menten-kinetiikkaa hyperbolisella käyrällä, pikemminkin siinä oli sigmoidinen käyrä.

- Vuonna 1963, Perutz et al., Löysivät röntgensäteiden avulla konformaatiomuutokset hemoglobiinin rakenteessa, kun se sitoutuu happea. Monod ja Jacob muuttivat sääntelypaikat "allosteerisiksi kohteiksi".

- Vuonna 1965 Monod, Wyman ja Changeux ehdottivat symmetristä mallia tai MWC-mallia (Monodin, Wymanin ja Changeuxin alkukirjaimet) allosteristen vuorovaikutusten selittämiseksi.

- Vuonna 1966 Koshland, Nemethy ja Filmer ehdottivat peräkkäistä tai indusoitua kytkentämallia tai KNF-mallia allosteristen vuorovaikutusten selittämiseksi.

- Vuonna 1988 aspartaattitranskarbamylaasin röntgenrakenne osoitti Monodin, Wymanin ja Changeuxin postuleiman symmetrisen mallin.

- 1990-luvulla mutaatioita, kovalenttisia modifikaatioita ja pH: n muutoksia pidettiin allosteerisina efektoreina.

- Vuonna 1996 lac-repressorin röntgenrakenne osoitti allosteeriset muutokset.

Toimintamekanismit ja esimerkit

- Allosteerisen säätelyn MWC- ja KNF-mallien ominaispiirteet

MWC-malli

MWC-mallin alkuperäinen hypoteesi ehdotti seuraavaa (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Allosteeriset proteiinit ovat oligomeerejä, jotka koostuvat symmetrisesti sukulaisista protomeereistä. Protomeerit koostuvat polypeptidiketjuista tai alayksiköistä.

Oligomeereillä on ainakin kaksi konformaatiotilaa (R ja T). Molemmat (kvaternäärisen rakenteen) tilat muodostavat spontaanisti tasapainon sitoutuneella ligandilla tai ilman.

Kun siirtyminen tilasta toiseen tapahtuu, symmetria säilyy ja paikan (tai useiden) stereospesifisten kohtien affiniteetti ligandiin muuttuu.

Tällä tavalla ligandien yhteistoiminnallinen sitoutuminen seuraa alayksiköiden välisestä yhteistyövuorovaikutuksesta.

KNF-malli

KNF-mallihypoteesi ehdotti seuraavaa (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Ligandin sitoutuminen aiheuttaa muutoksen tertiäärisessä rakenteessa alayksikössä. Tämä muodonmuutos vaikuttaa naapurimaiden alayksiköihin.

Proteiiniligandin sitoutumisaffiniteetti riippuu niiden ligandien lukumäärästä, joita se pitää yhdessä. Täten allosteerisilla proteiineilla on useita konformaatio- tiloja, joihin sisältyy välitilat.

Viimeisen viiden vuosikymmenen aikana MWC- ja KNF-malleja on arvioitu biokemiallisilla ja rakenteellisilla tutkimuksilla. Osoitettiin, että lukuisat allosteeriset proteiinit, mukaan lukien entsyymit, noudattavat MWC-mallin ehdotusta, vaikkakin on olemassa poikkeuksia.

MWC-malli ja allosteeriset entsyymit (tai allosteeriset säätelyentsyymit)

Allosteeriset entsyymit ovat usein suurempia ja monimutkaisempia kuin ei-allosteeriset entsyymit. Aspartaattitranskarbamylaasi (Asp-transkarbamylaasi tai ATCase) ja fosfofruktokinaasi-1 (PFK-1) ovat klassisia esimerkkejä allosteerisista entsyymeistä, jotka ovat MWC-mallin mukaisia.

AT: n talo

ATCase katalysoi pyrimidiininukleotidien biosynteesireitin (CTP ja UTP) ensimmäistä reaktiota ja käyttää Asp: tä substraattina. ATCase: n rakenne koostuu katalyyttisistä ja säätelevistä alayksiköistä. ATCase: lla on kaksi konformaatiotilaa R ja T. Näiden kahden tilan välinen symmetria säilyy.

ATCaasin kinetiikalle (ATCaasin alkunopeus erilaisilla aspartaatin konsentraatioilla) on tunnusomaista sigmoidikäyrä. Tämä osoittaa, että ATCasa on käyttäytyvä yhteistyössä.

CTP estää takaisinkytkennän ATCaseen. ATCaasin sigmoidikäyrä CTP: n läsnä ollessa on ATCaasin sigmoidikäyrän oikealla puolella, kun CTP: tä ei ole. Michaelis-Menten-vakion (K _m) arvon nousu on osoitettu.

Toisin sanoen, CTP: n läsnä ollessa, ATCase vaatii suurempaa aspartaatin konsentraatiota saavuttamaan puolet maksimimäärästä (_Vmax) verrattuna ATCaseen ilman CTP: tä.

Yhteenvetona voidaan todeta, että CTP on heterotropiinisesti negatiivinen allosteerinen efektori, koska se vähentää ATCaasin affiniteettia aspartaattiin. Tätä käyttäytymistä kutsutaan negatiiviseksi yhteistyöksi.

PFK - 1

PFK-1 katalysoi glykolyysireitin kolmatta reaktiota. Tämä reaktio koostuu fosfaattiryhmän siirrosta ATP: stä fruktoosi-6-fosfaattiin. PFK-1: n rakenne on tetrameeri, jolla on kaksi konformaatiotilaa R ja T. Näiden kahden tilan välinen symmetria säilyy.

PFK-1: n kinetiikalla (alkunopeus erilaisilla fruktoosi-6-fosfaattipitoisuuksilla) on sigmoidikäyrä. PFK-1 on monimutkaisen allosteerisen säätelyn alainen ATP: llä, AMP: llä ja frutoosi-2,6-bisfosfaatilla, nimittäin:

PFK-1: n sigmoidikäyrä on korkean ATP-konsentraation läsnä ollessa sigmoidikäyrän oikealla puolella alhaisella ATP-konsentraatiolla (kuvio 4). Michaelis-Menten-vakion (K _m) arvon nousu on osoitettu.

Korkean ATP-pitoisuuden läsnä ollessa PFK-1 vaatii korkeampaa fruktoosi-6-fosfaatin konsentraatiota saavuttamaan puolet maksimimäärästä (_Vmax).

Yhteenvetona voidaan todeta, että ATP on substraatin lisäksi myös negatiivinen heterotrooppinen allosteerinen efektori, koska se vähentää PFK-1: n affiniteettia fruktoosi-6-fosfaattiin.

PFK-1: n sigmoidikäyrä AMP: n läsnä ollessa on PFK-1: n sigmoidikäyrän vasemmalla puolella ATP: n läsnä ollessa. Eli AMP eliminoi ATP: n estävän vaikutuksen.

AMP: n läsnä ollessa PFK-1 vaatii pienemmän fruktoosi-6-fosfaatin konsentraation saavuttamaan puolet maksimimäärästä (_Vmax). Tämä käy ilmi siitä, että Michaelis-Menten-vakion (K _m) arvo on vähentynyt.

Yhteenvetona voidaan todeta, että AMP on positiivinen heterotrooppinen allosteerinen efektori, koska se lisää PFK-1: n sitoutumisaffiniteettia fruktoosi-6-fosfaattiin. Frutoosi-2,6-bisfosfaatti (F2,6BP) on voimakas PFK-1: n allosteerinen aktivaattori (kuva 5) ja sen käyttäytyminen on samanlainen kuin AMP: n.

MWC-malli on yleinen, mutta ei universaali

PDB: hen (Protein data bank) talletettujen kokonaisproteiinirakenteiden puolet ovat oligomeerejä ja toinen puoli monomeerejä. On osoitettu, että yhteistyö ei vaadi useita ligandeja tai useiden alayksiköiden kokoamista. Tämä koskee glukokinaasia ja muita entsyymejä.

Glukokinaasi on monomeerinen, siinä on polypeptidiketju ja sillä on sigmoidinen kinetiikka vasteena kohonnut verensokeripitoisuus (Porter ja Miller, 2012; Kamata et ai., 2004).

On olemassa erilaisia ​​malleja, jotka selittävät monomeeristen entsyymien yhteistoiminnallisen kinetiikan, nimittäin: mnemoninen malli, ligandin indusoima hitaan siirtymisen malli, substraattien satunnainen lisääminen biomolekyylisissä reaktioissa, hitaiden konformaatiomuutosten tyypit, mm.

Glukokinaasin rakennetutkimukset ovat tuoneet mielenmallimallia

Normaalin ihmisen glukokinaasia on K _m 8 mM glukoosia. Tämä arvo on lähellä verensokeripitoisuutta.

Jotkut potilaat kärsivät lapsen vastustuskykyisestä hyperinsulinemiasta (PHHI). Glukokinaasia Näiden potilaiden on pienempi K _m glukoosin kuin normaali glucokinases, ja yhteistoiminnalla vähenee merkittävästi.

Tämän seurauksena näillä potilailla on hyperaktiivinen glukokinaasivariantti, joka voi vakavissa tapauksissa johtaa kuolemaan.

Allosterismin sovellukset

Allostry ja katalyysi liittyvät läheisesti toisiinsa. Tämän vuoksi allosteeriset vaikutukset voivat vaikuttaa katalyysiominaisuuksiin, kuten ligandin sitoutumiseen, ligandin vapautumiseen.

Allosteeriset sitoutumiskohdat voivat olla kohteita uusille lääkkeille. Tämä johtuu siitä, että allosteerinen efektori voi vaikuttaa entsyymin toimintaan. Allosteeristen kohtien tunnistaminen on ensimmäinen askel entsyymien toimintaa parantavien lääkkeiden löytämisessä.

Viitteet

1. Changeux, JP 2012. Allostery ja Monod-Wyman-Changeux -malli 50 vuoden kuluttua. Biofysiikan ja biomolekulaarisen rakenteen vuosikatsaus, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 vuotta allosteerista vuorovaikutusta: mallien käännökset. Molecular Cell Biology, julkaisussa Nature Reviews, 14: 1–11.
3. Goodey, NM ja Benkovic, SJ 2008. Allosteerinen säätely ja katalyysi esiintyvät yhteisen reitin kautta. Nature Chemical Biology, 4: 274 - 482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Ihmisen glukokinaasin monomeerisen allosteerisen entsyymin allosteerisen säätelyn rakenteellinen perusta. Rakenne, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Kokeellisten sitoutumistietojen ja teoreettisten mallien vertailu proteiineja sisältävissä alayksiköissä. Biochemistry, 5: 365 - 385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Allosteeristen siirtymien luonteesta: uskottava malli. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL ja Cox, MM, 2008. Lehninger - Biokemian periaatteet. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM ja Miller, BG 2012. Yhteistyö monomeerisissä entsyymeissä, joissa on yksittäisiä ligandia sitovia kohtia. Bioorganic Chemistry, 43: 44-50.
9. Voet, D. ja Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley and Sons, Yhdysvallat.