АЛЛОСТЕРИЧНІ ФЕРМЕНТИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, МЕХАНІЗМИ ДІЇ, ПРИКЛАДИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Аллостерічеськая ферменту (від грецького: алло, різних музичних центрів +, тривимірний простір) являє собою білка , в якому непрямі взаємодії відбуваються між топографічний різними сайтами, шляхом зв'язуванням субстратів і регуляторних молекулами (лігандами).

На зв'язування ліганду з певним сайтом впливає зв'язування іншого ефекторного ліганду (або модуляторного ліганду) з іншим (аллостеричним) сайтом ферменту. Це відоме як аллостеричні взаємодії, або спільні взаємодії.

Приклад ферменту. Джерело: Thomas Shafee

Коли ефекторний ліганд збільшує спорідненість зв'язування іншого ліганду до ферменту, кооперативність є позитивною. Коли спорідненість знижується, кооперативність негативна. Якщо в однаковій взаємодії беруть участь два однакові ліганди, ефект є гомотропним, а якщо два ліганди - різними, ефект гетеротропний.

Кооперативна взаємодія призводить до оборотних змін молекулярної структури ферменту на рівні третинної та четвертинної структури. Ці зміни відомі як конформаційні зміни.

Історія

Концепція аллостеричної взаємодії виникла понад 50 років тому. Він розвивався з часом, а саме:

-У 1903 р. Спостерігалася сигмоїдальна крива зв’язування гемоглобіну з киснем.

-У 1910 році сигмоїдальна крива зв'язування O ₂ з гемоглобіном була математично описана за допомогою рівняння Хілла.

-У 1954 році Новік і Шилард показали, що фермент, розташований на початку метаболічного шляху, інгібується кінцевим продуктом цього шляху, який відомий як негативний зворотний зв'язок.

-У 1956 році Умбаргер виявив, що L-треонін-дезаміназа, перший фермент шляху біосинтезу L-ізолейцину, інгібується L-ізолейцином, і що він не проявляє типової кінетики Майкласіса-Ментена з гіперболічною кривою, скоріше вона мала сигмовидну криву.

-У 1963 р. Perutz та ін. Виявили за допомогою рентгенівських конформаційних змін структури гемоглобіну, коли він пов'язується з киснем. Монод і Яків перейменували регуляторні сайти на "аллостеричні місця".

-У 1965 р. Монод, Вайман і Сенсо запропонували симетричну модель, або модель MWC (початкові літери Монода, Ваймана і Зміна), щоб пояснити аллостеричні взаємодії.

-У 1966 році Кошланд, Неметі та Філмер запропонували послідовну або індуковану модель з’єднання, або модель KNF, щоб пояснити аллостеричні взаємодії.

-У 1988 р. Рентгенівська структура аспартат-закарбамілази продемонструвала симетричну модель, постульовану Монодом, Вайманом та Зміном.

-У 90-х роках мутації, ковалентні модифікації та зміна pH розглядалися як алостеричні ефектори.

-У 1996 р. Рентгенівська структура лак-репресора продемонструвала аллостеричні переходи.

Механізми дії та приклади

-Характеристика моделей MWC та KNF аллостеричного регулювання

Модель MWC

Первісна гіпотеза моделі MWC запропонувала наступне (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Алостеричні білки - це олігомери, що складаються з симетрично пов'язаних протомерів. Протомери складаються з поліпептидних ланцюгів або субодиниць.

Олігомери мають щонайменше два конформаційні стани (R і T). Обидва стани (четвертинної структури) мимовільно встановлюють рівновагу, з пов'язаним лігандом або без нього.

Коли відбувається перехід від одного стану до іншого, симетрія зберігається, а спорідненість сайту (або декількох) стереоспецифічних сайтів до ліганду змінюється.

Таким чином, кооперативне зв'язування лігандів випливає з кооперативної взаємодії між субодиницями.

Модель KNF

Гіпотеза моделі KNF запропонувала наступне (Кошланд, Неметі, Філмер, 1966): зв'язування ліганду призводить до зміни третинної структури в субодиниці. Ця зміна конформації впливає на сусідні підрозділи.

Спорідненість зв'язування білкового ліганду залежить від кількості лігандів, які він утримує разом. Таким чином, аллостеричні білки мають безліч конформаційних станів, які включають проміжні стани.

Протягом останніх п'яти десятиліть моделі MWC та KNF були оцінені за допомогою біохімічних та структурних досліджень. Було показано, що численні аллостеричні білки, включаючи ферменти, відповідають пропозиції в моделі MWC, хоча є винятки.

Модель MWC та аллостеричні ферменти (або аллостеричні регуляторні ферменти)

Алостеричні ферменти часто бувають більші і складніші, ніж не аллостеричні ферменти. Аспартат-транскарбамілаза (Asp transcarbamylase або ATCase) та фосфофруктокіназа-1 (PFK-1) - класичні приклади аллостеричних ферментів, які відповідають моделі MWC.

AT Будинок

ATCase каталізує першу реакцію шляху біосинтезу нуклеотидів піримідину (CTP та UTP) і використовує Asp як субстрат. Структура АТКази складається з каталітичної та регуляторної субодиниць. АТКаза має два конформаційні стани R і T. Симетрія між цими двома станами зберігається.

Кінетика АТКази (початкова швидкість АТКази з різними концентраціями аспартату) характеризується сигмоподібною кривою. Це вказує на те, що ATCasa має спільну поведінку.

ATCase - це зворотний зв'язок, пригнічений CTP. Сигмоїдна крива ATCase за наявності CTP знаходиться праворуч від сигмоподібної кривої ATCase за відсутності CTP. Про це свідчить збільшення значення константи Майкеліса-Ментена (K _m ).

Тобто, за наявності CTP, ATCase вимагає більш високої концентрації аспартату, щоб досягти половини максимальної швидкості (V _max ), порівняно з ATCase за відсутності CTP.

На закінчення, CTP є гетеротропним негативним алостеричним ефектором, оскільки знижує спорідненість ATCase до аспартату. Така поведінка відома як негативна співпраця.

ПФК - 1

PFK-1 каталізує третю реакцію шляху гліколізу. Ця реакція складається з перенесення фосфатної групи з АТФ до фруктози 6-фосфату. Структура PFK-1 являє собою тетрамер, який демонструє два конформаційні стани R і T. Симетрія між цими двома станами зберігається.

Кінетика PFK-1 (початкова норма з різними концентраціями фруктози 6-фосфату) виявляє сигмоподібну криву. ПФК-1 піддається складній аллостеричній регуляції АТФ, АМФ та фрутозо-2,6-бісфосфатом, а саме:

Сигмоїдна крива PFK-1 за наявності високої концентрації АТФ знаходиться праворуч від сигмоподібної кривої при низькій концентрації АТФ (мал. 4). Про це свідчить збільшення значення константи Майкеліса-Ментена (K _m ).

За наявності високої концентрації АТФ, PFK-1 вимагає більш високої концентрації фруктози 6-фосфату, щоб досягти половини максимальної норми (V _max ).

На закінчення, АТФ, крім субстрату, є негативним гетеротропним аллостеричним ефектором, оскільки знижує спорідненість PFK-1 до фруктози 6-фосфату.

Сигмовидна крива PFK-1 за наявності AMP лежить зліва від сигмоподібної кривої PFK-1 у присутності АТФ. Тобто АМФ усуває гальмівний ефект АТФ.

У присутності AMP PFK-1 вимагає зниження концентрації фруктози 6-фосфату, щоб досягти половини максимальної швидкості (V _max ). Це виявляється в тому, що спостерігається зменшення значення константи Майкеліса-Ментена (К _м ).

На закінчення, AMP є позитивним гетеротропним аллостеричним ефектором, оскільки він підвищує спорідненість зв'язування PFK-1 до фруктози 6-фосфату. Фрутоза-2,6-бісфосфат (F2,6BP) є потужним аллостеричним активатором PFK-1 (мал. 5), а його поведінка схожа на поведінку AMP.

Модель MWC є загальною, але не універсальною

Із загальної кількості білкових структур, депонованих у PDB (Білка даних даних), половина є олігомерами, а друга половина - мономерами. Показано, що для кооперативності не потрібні багато ліганди або збірка декількох субодиниць. Це стосується глюкокінази та інших ферментів.

Глюкокіназа є мономерною, має поліпептидний ланцюг і проявляє сигмоїдну кінетику у відповідь на підвищену концентрацію глюкози в крові (Porter and Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Існують різні моделі, що пояснюють спільну кінетику мономерних ферментів, а саме: мнемонічна модель, ліганд-індукована модель повільного переходу, випадкове додавання субстратів у біомолекулярних реакціях, типи повільних конформаційних змін, серед інших.

Дослідження структури глюкокінази підтримали мнемонічну модель

Нормальна глюкокіназа людини має K _м 8 мМ для глюкози. Ця величина близька до концентрації глюкози в крові.

Є пацієнти, які страждають песистентною гіперінсулінемією в дитячому віці (PHHI). Глюкокіназа цих пацієнтів має нижчий К _м для глюкози, ніж у звичайних глюкокіназ, а кооперативність значно знижується.

Отже, ці пацієнти мають гіперактивний варіант глюкокінази, який у важких випадках може бути летальним.

Застосування аллостеризму

Алостність та каталіз тісно пов'язані. Через це аллостеричні ефекти можуть впливати на характеристики каталізу, такі як зв'язування ліганду, вивільнення ліганду.

Аллостеричні сайти зв'язування можуть бути мішенню для нових препаратів. Це тому, що алостеричний ефектор може впливати на функцію ферменту. Ідентифікація алостеричних ділянок є першим кроком у відкритті препаратів, що підсилюють функцію ферментів.

Список літератури

1. Changeux, JP 2012. Алостері та модель Monod-Wyman-Changeux через 50 років. Щорічний огляд біофізики та біомолекулярної структури, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 років аллостеричних взаємодій: повороти моделей. Молекулярна клітинна біологія, в природному огляді, 14: 1–11.
3. Goodey, NM та Benkovic, SJ 2008. Аллостеричне регулювання та каталіз виникають загальним шляхом. Природна хімічна біологія, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Структурна основа аллостеричної регуляції мономерного аллостеричного ферменту глюкокінази людини. Структура, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Порівняння експериментальних даних зв'язування та теоретичних моделей у білках, що містять субодиниці. Біохімія, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Про характер аллостеричних переходів: правдоподібна модель. Журнал молекулярної біології, 12: 88–118.
7. Нельсон, DL та Кокс, М.М., 2008. Ленінгер - Принципи біохімії. WH Freeman and Company, Нью-Йорк.
8. Портер, СМ та Міллер, BG 2012. Співпраця в мономерних ферментах з одиничними сайтами, що зв'язують ліганд. Біоорганічна хімія, 43: 44-50.
9. Voet, D. and Voet, J. 2004. Біохімія. Джон Вілей і сини, США.