ENZYMY ALLOSTERYCZNE: CHARAKTERYSTYKA, MECHANIZMY DZIAŁANIA, PRZYKŁADY - BIOLOGIA - 2026

Allosterycznym enzymu (od greckiego: allo różne stereo + przestrzeni trójwymiarowej) jest białkiem, które występuje oddziaływanie pośrednie pomiędzy topograficznie różnych miejscach, przez wiązanie substratów i cząsteczek regulatorowych (ligandów).

Na wiązanie liganda do określonego miejsca wpływa wiązanie innego liganda efektorowego (lub liganda modulatora) z innym (allosterycznym) miejscem enzymu. Jest to znane jako interakcje allosteryczne lub interakcje kooperacyjne.

Przykład enzymu. Źródło: Thomas Shafee

Gdy ligand efektorowy zwiększa powinowactwo wiązania innego liganda z enzymem, kooperatywność jest dodatnia. Kiedy powinowactwo spada, kooperatywność jest ujemna. Jeśli we współdziałaniu biorą udział dwa identyczne ligandy, efekt jest homotropowy, a jeśli dwa ligandy są różne, efekt jest heterotropowy.

Współdziałanie powoduje odwracalne zmiany w strukturze molekularnej enzymu na poziomie struktury trzeciorzędowej i czwartorzędowej. Te zmiany są znane jako zmiany konformacyjne.

Historia

Koncepcja interakcji allosterycznej pojawiła się ponad 50 lat temu. Ewoluował w czasie, a mianowicie:

-W 1903 roku zaobserwowano sigmoidalną krzywą wiązania hemoglobiny z tlenem.

-W 1910 roku sigmoidalną krzywą wiązania O ₂ z hemoglobiną opisano matematycznie za pomocą równania Hilla.

-W 1954 roku Novick i Szilard wykazali, że enzym znajdujący się na początku szlaku metabolicznego był hamowany przez produkt końcowy tego szlaku, który jest znany jako ujemne sprzężenie zwrotne.

-W 1956 roku Umbarger odkrył, że deaminaza L-treoniny, pierwszy enzym szlaku biosyntezy L-izoleucyny, była hamowana przez L-izoleucynę i nie wykazywała typowej kinetyki Michaelisa-Mentena z krzywą hiperboliczną, miał raczej krzywą sigmoidalną.

-W 1963, Perutz i wsp., Odkryli poprzez zmiany konformacyjne w strukturze hemoglobiny, gdy wiąże się ona z tlenem. Monod i Jacob zmienili nazwy miejsc regulacyjnych na „miejsca allosteryczne”.

-W 1965 Monod, Wyman i Changeux zaproponowali model symetryczny lub model MWC (początkowe litery Monod, Wyman i Changeux), aby wyjaśnić interakcje allosteryczne.

-W 1966 roku Koshland, Nemethy i Filmer zaproponowali sekwencyjny lub indukowany model sprzężenia lub model KNF, aby wyjaśnić interakcje allosteryczne.

-W 1988 r. Rentgenowska struktura transkarbamylazy asparaginianowej wykazała symetryczny model postulowany przez Monoda, Wymana i Changeux.

-W latach 90. mutacje, modyfikacje kowalencyjne i zmiany pH uznawano za efektory allosteryczne.

-W 1996 r. Struktura rentgenowska represora lac wykazała przejścia allosteryczne.

Mechanizmy działania i przykłady

-Charakterystyka modeli MWC i KNF regulacji allosterycznej

Model MWC

Oryginalna hipoteza modelu MWC proponowała następującą (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Białka allosteryczne to oligomery zbudowane z symetrycznie powiązanych protomerów. Protomery składają się z łańcuchów lub podjednostek polipeptydowych.

Oligomery mają co najmniej dwa stany konformacji (R i T). Oba stany (o strukturze czwartorzędowej) spontanicznie ustanawiają równowagę, z lub bez związanego liganda.

Kiedy następuje przejście z jednego stanu do drugiego, symetria zostaje zachowana, a powinowactwo miejsca (lub kilku) stereospecyficznych miejsc do liganda zostaje zmienione.

W ten sposób kooperatywne wiązanie ligandów wynika ze współdziałania między podjednostkami.

Model KNF

Hipoteza modelu KNF zaproponowała następującą (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): wiązanie ligandów powoduje zmianę struktury trzeciorzędowej w podjednostce. Ta zmiana w konformacji wpływa na sąsiednie podjednostki.

Powinowactwo wiązania liganda białkowego zależy od liczby ligandów, które utrzymuje razem. Zatem białka allosteryczne mają wiele stanów konformacyjnych, w tym stany pośrednie.

W ciągu ostatnich pięciu dekad modele MWC i KNF zostały ocenione na podstawie badań biochemicznych i strukturalnych. Wykazano, że liczne białka allosteryczne, w tym enzymy, są zgodne z tym, co zaproponowano w modelu MWC, chociaż są wyjątki.

Model MWC i allosteryczne enzymy (lub allosteryczne enzymy regulatorowe)

Enzymy allosteryczne są często większe i bardziej złożone niż enzymy nieallosteryczne. Transkarbamylaza asparaginianowa (transkarbamylaza Asp lub ATCase) i fosfofruktokinaza-1 (PFK-1) to klasyczne przykłady enzymów allosterycznych, które są zgodne z modelem MWC.

W House of

ATCase katalizuje pierwszą reakcję szlaku biosyntezy nukleotydów pirymidynowych (CTP i UTP) i wykorzystuje Asp jako substrat. Struktura ATCase składa się z podjednostek katalitycznych i regulatorowych. ATCase ma dwa stany konformacyjne R i T. Symetria między tymi dwoma stanami jest zachowana.

Kinetyka ATCazy (początkowa szybkość ATCazy przy różnych stężeniach asparaginianu) jest scharakteryzowana za pomocą esicy. Oznacza to, że ATCasa wykazuje skłonność do współpracy.

ATCase jest sprzężeniem zwrotnym hamowanym przez CTP. Sigmoidalna krzywa ATCase, w obecności CTP, znajduje się na prawo od esicy krzywej ATCase przy braku CTP. Wzrost wartości stałej Michaelisa-Mentena (K _m ) świadczy .

Oznacza to, że w obecności CTP, ATCase wymaga wyższego stężenia asparaginianu, aby osiągnąć połowę maksymalnej szybkości ( _Vmax ), w porównaniu z ATCase bez CTP.

Podsumowując, CTP jest heterotropowym negatywnym efektorem allosterycznym, ponieważ zmniejsza powinowactwo ATCazy do asparaginianu. To zachowanie jest znane jako negatywna kooperatywność.

PFK - 1

PFK-1 katalizuje trzecią reakcję szlaku glikolizy. Ta reakcja polega na przeniesieniu grupy fosforanowej z ATP do fruktozo-6-fosforanu. Struktura PFK-1 to tetramer, który wykazuje dwa stany konformacyjne R i T. Symetria między tymi dwoma stanami jest zachowana.

Kinetyka PFK-1 (początkowa dawka przy różnych stężeniach fruktozo-6-fosforanu) wykazuje sigmoidalną krzywą. PFK-1 podlega złożonej regulacji allosterycznej przez ATP, AMP i frutozo-2,6-bisfosforan, a mianowicie:

Krzywa esicy PFK-1, w obecności wysokiego stężenia ATP, znajduje się po prawej stronie krzywej esicy przy niskim stężeniu ATP (Rysunek 4). Wzrost wartości stałej Michaelisa-Mentena (K _m ) świadczy .

W obecności wysokiego stężenia ATP, PFK-1 wymaga wyższego stężenia fruktozo-6-fosforanu, aby osiągnąć połowę maksymalnej szybkości ( _Vmax ).

Podsumowując, ATP, oprócz tego, że jest substratem, jest ujemnym heterotropowym efektorem allosterycznym, ponieważ zmniejsza powinowactwo PFK-1 do fruktozo-6-fosforanu.

Sigmoidalna krzywa PFK-1, w obecności AMP, leży po lewej stronie esicy krzywej PFK-1 w obecności ATP. Oznacza to, że AMP eliminuje hamujący wpływ ATP.

W obecności AMP, PFK-1 wymaga niższego stężenia 6-fosforanu fruktozy, aby osiągnąć połowę maksymalnej szybkości ( _Vmax ). Przejawia się to w tym, że następuje spadek wartości stałej Michaelisa-Mentena (K _m ).

Podsumowując, AMP jest pozytywnym heterotropowym efektorem allosterycznym, ponieważ zwiększa powinowactwo wiązania PFK-1 do fruktozo-6-fosforanu. Frutozo-2,6-bisfosforan (F2,6BP) jest silnym allosterycznym aktywatorem PFK-1 (Rysunek 5), a jego zachowanie jest podobne do AMP.

Model MWC jest powszechny, ale nie uniwersalny

Spośród wszystkich struktur białkowych zdeponowanych w PDB (banku danych białek) połowa to oligomery, a druga połowa to monomery. Wykazano, że kooperatywność nie wymaga wielu ligandów ani łączenia wielu podjednostek. Tak jest w przypadku glukokinazy i innych enzymów.

Glukokinaza jest monomeryczna, ma łańcuch polipeptydowy i wykazuje sigmoidalną kinetykę w odpowiedzi na zwiększone stężenie glukozy we krwi (Porter i Miller, 2012; Kamata i in., 2004).

Istnieją różne modele, które wyjaśniają kooperatywną kinetykę w monomerycznych enzymach, a mianowicie: model mnemoniczny, model powolnego przejścia indukowanego ligandem, losowe dodawanie substratów w reakcjach biomolekularnych, rodzaje powolnych zmian konformacyjnych, między innymi.

Badania struktury glukokinazy potwierdziły model mnemoniczny

Normalny glukokinazy człowiek ma K _m , 8 mm dla glukozy. Ta wartość jest zbliżona do stężenia glukozy we krwi.

Są pacjenci, którzy cierpią na hiperinsulinemię dziecięcą oporną na pes (PHHI). Glukokinaza tych pacjentów ma dolny K _m do glukozy niż normalne glucokinases i kooperacyjności jest znacznie zmniejszona.

W konsekwencji ci pacjenci posiadają wariant glukokinazy, który jest nadpobudliwy, co w ciężkich przypadkach może być śmiertelne.

Zastosowania allosteryzmu

Allostry i kataliza są ze sobą ściśle powiązane. Z tego powodu efekty allosteryczne mogą wpływać na właściwości katalizy, takie jak wiązanie ligandu, uwalnianie liganda.

Allosteryczne miejsca wiązania mogą być celami dla nowych leków. Dzieje się tak, ponieważ efektor allosteryczny może wpływać na działanie enzymu. Identyfikacja miejsc allosterycznych jest pierwszym krokiem do odkrycia leków wzmacniających funkcje enzymów.

Bibliografia

1. Changeux, JP 2012. Allostery i model Monod-Wyman-Changeux Po 50 latach. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 lat interakcji allosterycznych: zwroty akcji modeli. Molecular Cell Biology, w Nature Reviews, 14: 1–11.
3. Goodey, NM i Benkovic, SJ 2008. Regulacja allosteryczna i kataliza pojawiają się wspólną drogą. Nature Chemical Biology, 4: 274–482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Strukturalne podstawy allosterycznej regulacji monomerycznego allosterycznego enzymu ludzkiej glukokinazy. Structure, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Porównanie doświadczalnych danych wiązania i modeli teoretycznych w białkach zawierających podjednostki. Biochemistry, 5: 365–385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. O naturze przejść allosterycznych: prawdopodobny model. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL i Cox, MM, 2008. Lehninger - Zasady biochemii. WH Freeman and Company, Nowy Jork.
8. Porter, CM i Miller, BG 2012. Kooperatywność w monomerycznych enzymach z pojedynczymi miejscami wiązania liganda. Bioorganic Chemistry, 43: 44–50.
9. Voet, D. i Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley and Sons, USA.