ALLOSZTERIKUS ENZIMEK: JELLEMZŐK, HATÁSMECHANIZMUSOK, PÉLDÁK - BIOLÓGIA - 2026

Az alloszterikus enzim (a görögből: allo, különböző + sztereók, háromdimenziós tér) egy olyan protein, amelyben a topográfiailag eltérő helyek közvetett kölcsönhatások lépnek fel, szubsztrátok és szabályozó molekulák (ligandumok) kötésével.

A ligandum egy specifikus helyhez történő kötődését befolyásolja egy másik effektor ligandum (vagy modulátor ligandum) kötődése az enzim egy másik (alloszterikus) helyéhez. Ezt alloszterikus interakciónak vagy kooperatív interakciónak nevezzük.

Példa egy enzimre. Forrás: Thomas Shafee

Amikor az effektor ligandum növeli egy másik ligandum kötő affinitását az enzimmel szemben, az együttműködés pozitív. Ha az affinitás csökken, a kooperativitás negatív. Ha két azonos ligandum vesz részt az együttműködő kölcsönhatásban, akkor a hatás homotrop, és ha a két ligandum különbözik, akkor a hatás heterotrop.

Az együttműködési kölcsönhatás visszafordítható változásokat idéz elő az enzim molekuláris szerkezetében, a tercier és a kvaterner szerkezet szintjén. Ezeket a változásokat konformációs változásoknak nevezzük.

Történelem

Az alloszterikus interakció fogalma több mint 50 évvel ezelőtt merült fel. Az idővel fejlődött, nevezetesen:

- 1903-ban megfigyelték a hemoglobin oxigénnel való kötődésének szigmoid görbéjét.

-A 1910 a szigmoid görbét O ₂ kötő a hemoglobint matematikailag leírt felhasználásával Hill egyenlet.

- 1954-ben Novick és Szilard kimutatta, hogy egy metabolikus út elején található enzimet gátolja ezen út végterméke, amelyet negatív visszacsatolásnak hívnak.

- 1956-ban az Umbarger felfedezte, hogy az L-izoleucin bioszintézis útjának első enzimét, az L-treonin-dezaminázt gátolja az L-izoleucin, és hogy hiperbolikus görbével nem mutat tipikus Michaelis-Menten kinetikát, inkább egy szigmoid görbe volt.

Perutz és munkatársai 1963-ban röntgen segítségével felfedezték a hemoglobin szerkezetének konformációs változásait, amikor az oxigénnel kötődik. Monod és Jacob a szabályozó helyeket "alloszterikus helyeknek" nevezték el.

- 1965-ben Monod, Wyman és Changeux javasolta a szimmetrikus modellt vagy az MWC modellt (Monod, Wyman és Changeux kezdőbetűi) az alloszterikus kölcsönhatások magyarázata céljából.

- 1966-ban Koshland, Nemethy és Filmer a szekvenciális vagy indukált kapcsolási modellt vagy KNF-modellt javasolta az alloszterikus kölcsönhatások magyarázata céljából.

- 1988-ban az aszpartát-transzkarbamiláz röntgenszerkezete megmutatta a szimmetrikus modellt, amelyet Monod, Wyman és Changeux feltételez.

-A 1990-es években a mutációkat, a kovalens módosításokat és a pH-változásokat allosterikus effektoroknak tekintették.

- 1996-ban a lac represszor röntgenszerkezete alloszterikus átmeneteket mutatott.

A cselekvési mechanizmusok és a példák

-Az alloszterikus szabályozás MWC és KNF modelljeinek jellemzői

MWC modell

Az MWC modell eredeti hipotézise az alábbiakat javasolta (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Az alloszterikus fehérjék szimmetrikusan rokon protomerekből álló oligomerek. A protomerek polipeptidláncokból vagy alegységekből állnak.

Az oligomereknek legalább két konformációs állapota van (R és T). Mindkét állapot (a kvaterner szerkezetből) spontán módon létrehoz egyensúlyt kötött ligandummal vagy anélkül.

Az egyik állapotból a másikba történő áttéréskor megőrződik a szimmetria, és megváltozik egy hely (vagy több) sztereospecifikus helyének affinitása egy ligandummal szemben.

Ily módon a ligandumok kooperatív kötődése az alegységek közötti együttműködő kölcsönhatásból következik.

KNF modell

A KNF modellhipotézise az alábbiakat javasolta (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): A ligandumkötés változtatja meg az alegység tercier struktúráját. Ez az átalakulás változása a szomszédos alegységeket érinti.

A protein-ligandum kötési affinitása attól függ, hogy hány ligandumot tart össze. Így az alloszterikus fehérjéknek több olyan konformációs állapota van, amelyek köztes állapotokat is tartalmaznak.

Az elmúlt öt évtized során a MWC és a KNF modelleket biokémiai és szerkezeti tanulmányok segítségével értékelték. Kimutatták, hogy számos alloszterikus fehérje, ideértve az enzimeket is, megfelel az MWC modell javaslatának, bár vannak kivételek.

Az MWC modell és az alloszterikus enzimek (vagy az alloszterikus szabályozó enzimek)

Az alloszterikus enzimek gyakran nagyobbak és összetettebbek, mint a nem alloszterikus enzimek. Az aszpartát transzkarbamiláz (Asp transzkarbamiláz vagy ATCase) és a foszfofruktokináz-1 (PFK-1) az alloszterikus enzimek klasszikus példái, amelyek megfelelnek az MWC modellnek.

AT ház

Az ATCase katalizálja a pirimidin nukleotid bioszintézis útjának (CTP és UTP) első reakcióját, és Asp-t használ szubsztrátumként. Az ATCase felépítése katalitikus és szabályozó alegységekből áll. Az ATCase két konformációs állapotban van R és T. Az e két állapot közötti szimmetria megmarad.

Az ATCase kinetikáját (az ATCase kezdeti sebessége különböző aszpartát koncentrációk esetén) egy szigmoid görbe jellemzi. Ez azt jelzi, hogy az ATCasa együttműködő magatartással rendelkezik.

Az ATCase-et a visszacsatolás gátolja a CTP. Az ATCase szigmoid görbéje CTP jelenlétében az ATCase szigmoid görbéjétől jobbra, CTP hiányában. A Michaelis-Menten állandó (K _m) értékének növekedése bizonyított.

Vagyis CTP jelenlétében az ATCase magasabb aszpartátkoncentrációt igényel a maximális sebesség (V _max) felének eléréséhez, mint az ATCase CTP hiányában.

Összegezve, a CTP heterotrop negatív alloszterikus effektor, mivel csökkenti az ATCase affinitását az aszpartáttal szemben. Ezt a viselkedést negatív együttmûködésnek nevezzük.

PFK - 1

A PFK-1 katalizálja a glikolízis út harmadik reakcióját. Ez a reakció egy foszfátcsoportnak az ATP-ből a fruktóz-6-foszfátra történő átviteléből áll. A PFK-1 szerkezete egy tetramer, amely két R és T konformációs állapotot mutat. A két állapot közötti szimmetria megmarad.

A PFK-1 kinetikája (a kezdeti sebesség különböző koncentrációjú fruktóz-6-foszfáttal) szigmoid görbét mutat. A PFK-1-t az ATP, AMP és a frutóz-2,6-biszfoszfát komplex alloszterikus szabályozása szabályozza, nevezetesen:

A PFK-1 szigmoid görbéje magas ATP koncentráció jelenlétében a szigmoid görbe jobb oldalán, alacsony ATP koncentráció mellett (4. ábra). A Michaelis-Menten állandó (K _m) értékének növekedése bizonyított.

Magas ATP koncentráció jelenlétében a PFK-1 nagyobb fruktóz-6-foszfát koncentrációt igényel, hogy elérje a maximális arány (V _max) felét.

Összegezve, az ATP, amellett, hogy szubsztrát, negatív heterotropikus alloszterikus effektor, mivel csökkenti a PFK-1 affinitását a fruktóz-6-foszfáthoz.

A PFK-1 szigmoid görbéje AMP jelenlétében az ATP jelenlétében a PFK-1 szigmoid görbéjétől balra található. Vagyis az AMP kiküszöböli az ATP gátló hatását.

AMP jelenlétében a PFK-1 alacsonyabb fruktóz-6-foszfát koncentrációt igényel, hogy elérje a maximális arány (V _max) felét. Ez abban a tényben nyilvánul meg, hogy a Michaelis-Menten állandó (K _m) értéke csökken.

Összegezve, az AMP pozitív heterotropikus alloszterikus effektor, mivel növeli a PFK-1 kötő affinitását a fruktóz-6-foszfáttal szemben. A frutóz-2,6-biszfoszfát (F2,6BP) a PFK-1 erős alloszterikus aktivátora (5. ábra), viselkedése hasonló az AMP viselkedéséhez.

Az MWC modell általános, de nem egyetemes

A PDB-ben (Protein data bank) lerakódott összes fehérjeszerkezetből fele oligomerek, a másik fele monomerek. Kimutatták, hogy az együttműködéshez nem szükséges több ligandum vagy több alegység összeállítása. Ez vonatkozik a glükokinázra és más enzimekre.

A glükokináz monomer, polipeptidlánccal rendelkezik és szigmoid kinetikát mutat a megnövekedett vércukorszint-koncentráció válaszaként (Porter és Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Különböző modellek magyarázzák a kooperatív kinetikát a monomer enzimekben, nevezetesen: mnemonic modell, ligandum-indukált lassú átmeneti modell, szubsztrátok véletlenszerű hozzáadása biomolekuláris reakciókban, lassú konformációs változások típusai, egyebek között.

A glükokináz szerkezetének vizsgálata alátámasztotta a membrán modellt

Normál humán glükokináz van egy K _m 8 mM glükóz. Ez az érték közel áll a vércukorszinthez.

Vannak olyan betegek, akik szenvednek gyermekkori rezisztens hiperinzulinémiától (PHHI). Ezeknek a betegeknek a glükokináz-szintje alacsonyabb a Km- _nél, mint a normál glükokinázoknál, és az együttműködés jelentősen csökken.

Következésképpen ezeknek a betegeknek hiperaktív glükokináz-variánsa van, amely súlyos esetekben halálos lehet.

Az alloszterizmus alkalmazásai

Az allosztria és a katalízis szorosan kapcsolódnak egymáshoz. Emiatt az alloszterikus hatások befolyásolhatják a katalízis jellemzőit, például a ligandumkötést, a ligandum felszabadulását.

Az alloszterikus kötőhelyek az új gyógyszerek célpontjai lehetnek. Ennek oka az, hogy az alloszterikus effektor befolyásolja az enzim működését. Az alloszterikus helyek azonosítása az első lépés az enzimek működését fokozó gyógyszerek felfedezésében.

Irodalom

1. Changeux, JP 2012. Allostery és a Monod-Wyman-Changeux modell 50 év után. A biofizika és a biomolekuláris szerkezet éves áttekintése, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 éves alloszterikus interakció: a modellek fordulatai. Molekuláris sejtbiológia, a Nature Reviews-ban, 14: 1–11.
3. Goodey, NM és Benkovic, SJ, 2008. Az alloszterikus szabályozás és a katalízis egy közös úton valósul meg. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. A humán glükokináz monomer alloszterikus enzim alloszterikus szabályozásának strukturális alapjai. Szerkezet, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Kísérleti kötési adatok és elméleti modellek összehasonlítása alegységeket tartalmazó fehérjékben. Biochemistry, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP, 1965. Az alloszterikus átmenetek természetéről: egy megbízható modell. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL és Cox, MM, 2008. Lehninger - Biokémiai alapelvek. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM és Miller, BG 2012. Együttműködés monomer enzimekben egyetlen ligandumkötő helyekkel. Bioorganic Chemistry, 43: 44-50.
9. Voet, D. és Voet, J., 2004. Biochemistry. John Wiley and Sons, USA.