ALOSTERINIAI FERMENTAI: CHARAKTERISTIKOS, VEIKIMO MECHANIZMAI, PAVYZDŽIAI - BIOLOGIJA - 2025

Alosterinis fermentas (nuo Graikijos: alo, skirtingi + stereo, trimatėje erdvėje) yra baltymas, kurioje vyksta tarp topografiškai skirtingose vietose netiesioginiai sąveikos, pagal surišant substratų ir reguliavimo molekulių (ligandų).

Ligando prisijungimą prie konkrečios vietos įtakoja kito efektorinio ligando (arba moduliatoriaus ligando) prisijungimas prie skirtingos (alosterinės) fermento vietos. Tai vadinama allosterine sąveika arba bendradarbiavimo sąveika.

Fermento pavyzdys. Šaltinis: Thomas Shafee

Kai efektorinis ligandas padidina kito ligando jungimosi prie fermento afinitetą, kooperatyvas yra teigiamas. Kai giminingumas mažėja, kooperatyvas neigiamas. Jei kooperatyvinėje sąveikoje dalyvauja du identiški ligandai, poveikis yra homotropinis, o jei du ligandai skiriasi, poveikis yra heterotropinis.

Bendradarbiavimas sukelia grįžtamus fermento molekulinės struktūros pokyčius tretinės ir ketvirtinės struktūros lygmenyje. Šie pokyčiai yra žinomi kaip konformaciniai pokyčiai.

Istorija

Allosterinės sąveikos idėja atsirado daugiau nei prieš 50 metų. Laikui bėgant ji vystėsi, būtent:

- 1903 m. Buvo stebima sigmoidinė hemoglobino prisijungimo prie deguonies kreivė.

-1910 m., Naudojant Hilo lygtį, buvo matematiškai aprašyta sigmoidinė O _2, jungiančios hemoglobiną, kreivė .

- 1954 m. Novickas ir Szilardas parodė, kad fermentą, esantį metabolizmo kelio pradžioje, slopina šio kelio galutinis produktas, kuris yra žinomas kaip neigiamas grįžtamasis ryšys.

- 1956 m. Umbargeris atrado, kad L-treleino deaminazė, pirmasis L-izoleucino biosintezės kelio fermentas, buvo slopinama L-izoleucino ir kad ji neturėjo tipiškos Michaelio-Menteno kinetikos su hiperboline kreive, veikiau turėjo sigmoidinę kreivę.

Perutz ir kt. 1963 m. Per rentgeno spindulius atrado hemoglobino struktūros pokyčius, kai jis jungiasi su deguonimi. Monodas ir Jokūbas reguliavimo vietas pervadino „allosterinėmis vietomis“.

- 1965 m. Monod, Wyman ir Changeux siūlo simetrinį modelį arba MWC modelį (Monodo, Wymano ir Changeux pradinės raidės), kad paaiškintų alosterinę sąveiką.

- 1966 m. Koshland, Nemethy ir Filmer pasiūlė nuoseklųjį arba indukuotosios jungties modelį arba KNF modelį, kad paaiškintų alosterinę sąveiką.

- 1988 m. Rentgeno spindulių aspartatranskarbamilazės struktūra parodė simetrišką modelį, kurį postuliavo Monodas, Wymanas ir Changeux.

- Dešimtajame dešimtmetyje mutacijos, kovalentinės modifikacijos ir pH pokyčiai buvo laikomi alosteriniais efektoriais.

- 1996 m. Lakrepresoriaus rentgeno struktūra parodė allosterinius perėjimus.

Veikimo mechanizmai ir pavyzdžiai

- Allosterinio reguliavimo MWC ir KNF modelių charakteristikos

MWC modelis

Pirminė hipotezė apie MWC modelį pasiūlė taip (Monod, Wyman, Changeux, 1965).

Alosteriniai baltymai yra oligomerai, sudaryti iš simetriškai susijusių protomerų. Protomerus sudaro polipeptidinės grandinės arba subvienetai.

Oligomerai turi mažiausiai dvi konformacijos būsenas (R ir T). Abi valstybės (ketvirtinės struktūros) savaime sukuria pusiausvyrą su surištu ligandu arba be jo.

Kai vyksta perėjimas iš vienos būsenos į kitą, išsaugoma simetrija ir keičiamas vietos (ar kelių) stereospecifinių vietų afinitetas ligandui.

Tokiu būdu kooperatinis ligandų surišimas išplaukia iš kooperatyvinės sąveikos tarp subvienetų.

KNF modelis

KNF modelio hipotezė pasiūlė šiuos dalykus (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Ligando rišimas sukelia tretinės struktūros pokyčius subvienete. Šis struktūros pokytis turi įtakos kaimyniniams subvienetams.

Baltyminio ligando surišimo afinitetas priklauso nuo ligandų, kuriuos jis laiko kartu, skaičiaus. Taigi allosteriniai baltymai turi daugybę konformacijos būsenų, kurios apima tarpines būsenas.

Per pastaruosius penkis dešimtmečius MWC ir KNF modeliai buvo įvertinti atliekant biocheminius ir struktūrinius tyrimus. Parodyta, kad daugybė alosterinių baltymų, įskaitant fermentus, atitinka tai, kas siūloma MWC modelyje, nors yra ir išimčių.

MWC modelis ir alosteriniai fermentai (arba alosteriniai reguliuojantys fermentai)

Allosteriniai fermentai dažnai būna didesni ir sudėtingesni nei ne allosteriniai fermentai. Aspartatranskarbamilazė (Asp transkarbamilazė arba ATCase) ir fosfofruktokinazė-1 (PFK-1) yra klasikiniai alosterinių fermentų, kurie atitinka MWC modelį, pavyzdžiai.

AT namai

ATCase katalizuoja pirmąją pirimidinų nukleotidų biosintezės kelio (CTP ir UTP) reakciją ir naudoja Asp kaip substratą. ATCase struktūrą sudaro kataliziniai ir reguliavimo subvienetai. ATCase turi dvi konformacines būsenas R ir T. Išsaugota šių dviejų būsenų simetrija.

ATCase kinetika (pradinis ATCase greitis esant skirtingoms aspartato koncentracijoms) apibūdinama sigmoidine kreive. Tai rodo, kad „ATCasa“ elgiasi bendradarbiaudama.

ATCase yra grįžtamasis ryšys, kurį slopina CTP. ATCase sigmoidinė kreivė, esant CTP, yra dešinėje nuo ATCase sigmoidinės kreivės, jei nėra CTP. Aiškėja Michaelio-Menteno konstantos (K _m ) vertės padidėjimas .

T. y., Esant CTP, ATCase reikia didesnės aspartato koncentracijos, kad ji pasiektų pusę maksimalaus greičio (V _max ), palyginti su ATCase, jei nėra CTP.

Apibendrinant, CTP yra heterotropinis neigiamas allosterinis efektorius, nes sumažina ATCazės afinitetą aspartatui. Šis elgesys žinomas kaip neigiamas kooperatyvas.

PFK - 1

PFK-1 katalizuoja trečiąją glikolizės kelio reakciją. Ši reakcija susideda iš fosfato grupės perkėlimo iš ATP į fruktozės 6-fosfatą. PFK-1 struktūra yra tetrameras, turintis dvi konformacines būsenas R ir T. Išsaugota šių dviejų būsenų simetrija.

PFK-1 kinetika (pradinis greitis esant skirtingoms fruktozės 6-fosfato koncentracijoms) parodo sigmoidinę kreivę. PFK-1 yra kompleksiškai allosteriškai reguliuojamas ATP, AMP ir frutozės-2,6-bisfosfato, būtent:

PFK-1 sigmoidinė kreivė esant aukštai ATP koncentracijai yra dešinėje nuo sigmoidinės kreivės esant mažai ATP koncentracijai (4 paveikslas). Aiškėja Michaelio-Menteno konstantos (K _m ) vertės padidėjimas .

Esant didelei ATP koncentracijai, PFK-1 reikia didesnės fruktozės 6-fosfato koncentracijos, kad būtų pasiekta pusė maksimalios normos (V _max ).

Apibendrinant galima pasakyti, kad ne tik substratas, bet ir ATP yra neigiamas heterotropinis allosterinis efektorius, nes sumažina PFK-1 afinitetą fruktozės 6-fosfatui.

PFK-1 sigmoidinė kreivė, esant AMP, yra kairėje nuo PFK-1 sigmoidinės kreivės, kai yra ATP. T. y., AMP pašalina slopinantį ATP poveikį.

Esant AMP, PFK-1 reikia mažesnės fruktozės 6-fosfato koncentracijos, kad būtų pasiekta pusė maksimalios normos (V _max ). Tai pasireiškia tuo, kad mažėja Michaelio-Menteno konstanta (K _m ).

Apibendrinant galima pasakyti, kad AMP yra teigiamas heterotropinis allosterinis efektorius, nes padidina PFK-1 surišimo afinitetą fruktozės 6-fosfatui. Frutazės-2,6-bisfosfatas (F2,6BP) yra stiprus allosterinis PFK-1 aktyvatorius (5 pav.), O jo elgesys yra panašus į AMP.

MWC modelis yra įprastas, bet ne universalus

Iš visų PDB (baltymų duomenų banke) deponuotų baltymų struktūrų pusė yra oligomerai, kita pusė yra monomerai. Įrodyta, kad kooperacijai nereikia kelių ligandų ar kelių subvienetų surinkimo. Tai taikoma gliukokinazei ir kitiems fermentams.

Gliukokinazė yra monomerinė, turi polipeptido grandinę ir pasižymi sigmoidine kinetika, reaguodama į padidėjusią gliukozės koncentraciją kraujyje (Porter ir Miller, 2012; Kamata ir kt., 2004).

Yra skirtingi modeliai, paaiškinantys monomerinių fermentų kooperatinę kinetiką, būtent: mnemoninis modelis, ligando sukeltas lėto perėjimo modelis, atsitiktinis substratų pridėjimas biomolekulinėse reakcijose, lėtų konformacinių pokyčių tipai, be kita ko.

Gliukokinazės struktūros tyrimai patvirtino mnemoninį modelį

Normalus žmogaus gliukokinazės turi K _m 8 mM gliukozės. Ši vertė yra artima gliukozės koncentracijai kraujyje.

Yra pacientų, kenčiančių nuo vaikystės atsparios hiperinsulinemijos (PHHI). Šių pacientų gliukokinazės gliukozės K _m yra mažesnis nei įprastų gliukokinazių, todėl kooperatyvas žymiai sumažėja.

Taigi šie pacientai turi hiperaktyvų gliukokinazės variantą, kuris sunkiais atvejais gali būti mirtinas.

Alosterizmo taikymai

Allostrija ir katalizė yra glaudžiai susijusios. Dėl to allosterinis poveikis gali paveikti katalizės ypatybes, tokias kaip ligando surišimas, ligando išsiskyrimas.

Naujų vaistų tikslais gali būti alosterinės rišamosios vietos. Taip yra todėl, kad allosterinis efektorius gali paveikti fermento funkcijas. Allosterinių vietų nustatymas yra pirmasis žingsnis atradus vaistus, gerinančius fermentų funkcijas.

Nuorodos

1. „Changeux“, JP 2012. Allostery ir „Monod-Wyman-Changeux“ modelis Po 50 metų. Metinė biofizikos ir biomolekulinių struktūrų apžvalga, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 metų allosterinės sąveikos: modelių posūkiai. Molekulinių ląstelių biologija, apžvalgoje „Gamta“, 14: 1–11.
3. Goodey, NM ir Benkovic, SJ 2008. Allosterinis reguliavimas ir katalizė atsiranda bendru keliu. „Nature Chemical Biology“, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Monomerinio alosterinio fermento žmogaus gliukokinazės allosterinio reguliavimo struktūriniai pagrindai. Struktūra, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Eksperimento surišimo duomenų ir teorinių modelių palyginimas baltymuose, turinčiuose subvienetų. Biochemija, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Apie alosterinių perėjimų pobūdį: patikimas modelis. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelsonas, DL ir Cox, MM, 2008. Lehningeris - biochemijos principai. „WH Freeman and Company“, Niujorkas.
8. Porteris, CM ir Milleris, BG 2012. Monomerinių fermentų su vienintele ligandą surišančiomis vietomis kooperatyvas. Bioorganic Chemistry, 43: 44-50.
9. Voet, D. ir Voet, J. 2004. Biochemija. Johnas Wiley ir sūnūs, JAV.