ALOSTERNI ENCIMI: ZNAČILNOSTI, MEHANIZMI DELOVANJA, PRIMERI - BIOLOGIJA - 2025

Alosterični encim (od grščina: alo, različni + stereo, tridimenzionalni prostor) je protein, v katerem pride do posredne interakcije med topografsko različnih mestih, z vezavo substratov in regulatornih molekul (ligandov).

Na vezavo liganda na točno določeno mesto vpliva vezava drugega efektorskega liganda (ali modulatornega liganda) na drugo (alosterično) mesto v encimu. To je znano kot alosterične interakcije ali medsebojne interakcije.

Primer encima. Vir: Thomas Shafee

Ko efektorski ligand poveča afiniteto vezave drugega liganda na encim, je kooperativnost pozitivna. Ko se afiniteta zmanjša, je kooperativnost negativna. Če v enaki interakciji sodelujeta dva enaka liganda, je učinek homotropic, če sta liganda različna, je učinek heterotropni.

Medsebojna interakcija povzroči povratne spremembe v molekularni strukturi encima na ravni terciarne in kvartarne strukture. Te spremembe so znane kot konformacijske spremembe.

Zgodovina

Koncept alosterične interakcije se je pojavil pred več kot 50 leti. Razvijala se je skozi čas, in sicer:

- Leta 1903 so opazili sigmoidno krivuljo vezave hemoglobina na kisik.

-V 1910 je sigmoidno krivuljo O ₂ vezavo smo na hemoglobin matematično opisuje v Hill enačbe.

- Leta 1954 sta Novick in Szilard pokazala, da encim, ki se nahaja na začetku metabolične poti, zavira končni produkt te poti, ki je znan kot negativna povratna informacija.

- Leta 1956 je Umbarger odkril, da je L-treonin deaminaza, prvi encim poti biosinteze L-izolevcina, inhibiral L-izolevcin in da ne kaže značilne Michaelis-Mentenove kinetike s hiperbolično krivuljo, raje je imel sigmoidno krivuljo.

- Leta 1963 so Perutz in sod. Odkrili s pomočjo rentgenskih konformacijskih sprememb strukture hemoglobina, ko se ta veže na kisik. Monod in Jacob sta regulativna mesta preimenovala v "alosterična mesta."

- Leta 1965 Monod, Wyman in Changeux predlagajo simetrični model ali MWC model (začetne črke Monod, Wyman in Changeux), da pojasnijo alosterične interakcije.

- Leta 1966 so Koshland, Nemethy in Filmer predlagali zaporedni ali inducirani model sklopke ali model KNF, da bi razložili alosterične interakcije.

V letu 1988 je rentgenska struktura aspartat transkarbamilaze pokazala simetrični model, ki so ga postavili Monod, Wyman in Changeux.

- V 90. letih prejšnjega stoletja so mutacije, kovalentne spremembe in spremembe pH šteli za alosterne učinke.

-V letu 1996 je rentgenska struktura laškega represorja pokazala alosterne prehode.

Mehanizmi delovanja in primeri

- Karakteristike MWC in KNF modelov alosterične regulacije

MWC model

Prvotna hipoteza modela MWC je predlagala naslednje (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Alosterični proteini so oligomeri, ki jih sestavljajo simetrično povezani protomeri. Protomeri so sestavljeni iz polipeptidnih verig ali podenot.

Oligomeri imajo vsaj dve konformacijski stanji (R in T). Obe stanji (kvartarne strukture) spontano vzpostavita ravnotežje, z ali brez vezanega liganda.

Ko pride do prehoda iz enega v drugo stanje, se simetrija ohrani in se spremeni afiniteta mesta (ali več) stereospecifičnih mest proti ligandu.

Na ta način kooperativna vezava ligandov izhaja iz sodelovalne interakcije med podenotami.

Model KNF

Hipoteza modela KNF je predlagala naslednje (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Vezava ligand povzroči spremembo terciarne strukture v podenoti. Ta sprememba konformacije vpliva na sosednje podenote.

Navezujoča afiniteta proteinskega liganda je odvisna od števila ligandov, ki jih ima skupaj. Tako imajo alosterni proteini več konformacijskih stanj, ki vključujejo vmesna stanja.

V zadnjih petih desetletjih smo modele MWC in KNF ocenjevali z biokemijskimi in strukturnimi študijami. Pokazalo se je, da številne alosterične beljakovine, vključno z encimi, ustrezajo predlogu v modelu MWC, čeprav obstajajo izjeme.

Model MWC in alosterni encimi (ali alosterni regulativni encimi)

Alosterni encimi so pogosto večji in bolj zapleteni kot ne-alosterni encimi. Aspartat transkarbamilaza (Asp transkarbamilaza ali ATCaza) in foshofruktokinaza-1 (PFK-1) sta klasična primera alosternih encimov, ki so skladni z modelom MWC.

AT House of

ATCase katalizira prvo reakcijo poti biosinteze pirimidinskega nukleotida (CTP in UTP) in uporabi Asp kot substrat. Struktura ATCase je sestavljena iz katalitičnih in regulativnih podenot. ATCase ima dve konformacijski stanji R in T. Simetrija med tema dvema stacijama je ohranjena.

Za kinetiko ATCaze (začetno hitrost ATCaze z različnimi koncentracijami aspartata) je značilna sigmoidna krivulja. To kaže, da ima ATCasa vedenje sodelovanja.

ATCase povratne informacije zavira CTP. Sigmoidna krivulja ATCase, v prisotnosti CTP, je desno od sigmoidne krivulje ATCase, če ni CTP. Dokazuje se povečanje vrednosti konstante Michaelis-Menten (K _m ).

To pomeni, da v prisotnosti CTP ATCase zahteva višjo koncentracijo aspartata, da doseže polovico najvišje hitrosti (V _max ), v primerjavi z ATCase, če ni CTP.

Za zaključek je CTP heterotropni negativni alosterni efektor, ker zmanjšuje afiniteto ATCaze do aspartata. Takšno vedenje je znano kot negativna sodelovalnost.

PFK - 1

PFK-1 katalizira tretjo reakcijo poti glikolize. Ta reakcija je sestavljena iz prenosa fosfatne skupine iz ATP v fruktozni 6-fosfat. Struktura PFK-1 je tetramer, ki ima dve konformacijski stanji R in T. Simetrija med tema dvema stacijama je ohranjena.

Kinetika PFK-1 (začetna hitrost z različnimi koncentracijami fruktoze 6-fosfata) ima sigmoidno krivuljo. PFK-1 je podvržen kompleksni alosterični regulaciji z ATP, AMP in frutozo-2,6-bisfosfatom, in sicer:

Sigmoidna krivulja PFK-1 je ob prisotnosti visoke koncentracije ATP desno od sigmoidne krivulje pri nizki koncentraciji ATP (slika 4). Dokazuje se povečanje vrednosti konstante Michaelis-Menten (K _m ).

V prisotnosti visoke koncentracije ATP PFK-1 zahteva višjo koncentracijo fruktoze 6-fosfata, da doseže polovico najvišje stopnje (V _max ).

Za zaključek je ATP, poleg tega, da je substrat, negativni heterotropni alosterni efektor, ker zmanjšuje afiniteto PFK-1 za fruktozni 6-fosfat.

Sigmoidna krivulja PFK-1 v prisotnosti AMP leži levo od sigmoidne krivulje PFK-1 v prisotnosti ATP. AMP torej odpravlja zaviralni učinek ATP.

V prisotnosti AMP potrebuje PFK-1 nižjo koncentracijo fruktoznega 6-fosfata, da doseže polovico najvišje stopnje (V _max ). To se kaže v dejstvu, da je vrednost konstante Michaelis-Menten manjša (K _m ).

Za zaključek je AMP pozitiven heterotropni alosterni efektor, ker poveča afiniteto vezave PFK-1 za fruktozo 6-fosfat. Frutoza-2,6-bisfosfat (F2,6BP) je močan alosterni aktivator PFK-1 (slika 5), ​​njegovo vedenje pa je podobno kot AMP.

Model MWC je običajen, ni pa univerzalen

Od celotnih beljakovinskih struktur, deponiranih v PDB (Protein data bank), je polovica oligomerov, druga polovica pa monomerov. Pokazalo se je, da za sodelovanje ni potrebno več ligandov ali sestavljanje več podenot. To velja za glukokinazo in druge encime.

Glukokinaza je monomerna, ima polipeptidno verigo in ima sigmoidno kinetiko kot odziv na povečano koncentracijo glukoze v krvi (Porter in Miller, 2012; Kamata in sod., 2004).

Obstajajo različni modeli, ki razlagajo kinetiko sodelovanja pri monomernih encimih, in sicer: mnemonični model, model počasnega prehoda, ki ga povzroča ligand, naključno dodajanje substratov v biomolekularnih reakcijah, vrste počasnih konformacijskih sprememb, med drugim.

Študije strukture glukokinaze podpirajo mnemonični model

Normalna človeška glukokinaza ima K _m 8 mM za glukozo. Ta vrednost je blizu koncentracije glukoze v krvi.

Obstajajo bolniki, ki trpijo za pes-odporno hiperinzulinemijo v otroštvu (PHHI). Glukokinaza teh bolnikov ima za glukozo nižjo vrednost K _m kot običajne glukokinaze, kooperativnost pa je znatno zmanjšana.

Posledično imajo ti bolniki hiperaktivno različico glukokinaze, ki je v hudih primerih lahko usodna.

Uporaba alosterizma

Alostrija in kataliza sta tesno povezana. Zaradi tega lahko alosterični učinki vplivajo na lastnosti katalize, kot so vezava ligandov, sproščanje ligandov.

Alosterična mesta vezave so lahko tarča novih zdravil. To je zato, ker lahko alosterni efektor vpliva na delovanje encima. Identifikacija alostericnih mest je prvi korak pri odkrivanju zdravil, ki izboljšujejo delovanje encimov.

Reference

1. Changeux, JP 2012. Allostery in model Monod-Wyman-Changeux Po 50 letih. Letni pregled biofizike in biomolekularne strukture, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 let alosteričnih interakcij: zasuki modelov. Molecular Cell Biology, v reviji Nature, 14: 1–11.
3. Goodey, NM in Benkovic, SJ 2008. Allosterična regulacija in kataliza se pojavita po skupni poti. Nature Chemical Biology, 4: 274–482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Strukturna podlaga za alosterično regulacijo monomernega alosternega encima humane glukokinaze. Struktura, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Primerjava eksperimentalnih vezavnih podatkov in teoretičnih modelov v proteinih, ki vsebujejo podenote. Biokemija, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. O naravi alosterskih prehodov: verodostojen model. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL in Cox, MM, 2008. Lehninger - Principi biokemije. WH Freeman in Company, New York.
8. Porter, CM in Miller, BG 2012. Sodelovanje v monomernih encimih z enim samim mestom, ki veže ligand. Bioorganska kemija, 43: 44-50.
9. Voet, D. in Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley in sinovi, ZDA.