ALLOSTERICKÉ ENZÝMY: VLASTNOSTI, MECHANIZMY ÚČINKU, PRÍKLADY - BIOLÓGIE - 2025

Alosterické enzým (z gréckeho: allo, rôzne + stereo, trojrozmerný priestor) je proteín, v ktorom sa vyskytujú nepriamych interakcií medzi topograficky rôznych miestach, väzbou substrátov a regulačné molekuly (ligandy).

Väzba ligandu na konkrétne miesto je ovplyvnená väzbou iného efektorového ligandu (alebo modulátorového ligandu) k inému (alosterickému) miestu na enzýme. Toto je známe ako alosterické interakcie alebo kooperatívne interakcie.

Príklad enzýmu. Zdroj: Thomas Shafee

Keď efektorový ligand zvyšuje väzobnú afinitu iného ligandu k enzýmu, kooperativita je pozitívna. Keď afinita klesá, kooperativita je negatívna. Ak sa kooperatívne interakcie zúčastňujú dva identické ligandy, účinok je homotropný a ak sú dva ligandy odlišné, účinok je heterotropný.

Kooperačná interakcia vedie k reverzibilným zmenám v molekulárnej štruktúre enzýmu na úrovni terciárnej a kvartérnej štruktúry. Tieto zmeny sú známe ako konformačné zmeny.

histórie

Koncept alosterickej interakcie sa objavil pred viac ako 50 rokmi. Časom sa vyvinul, konkrétne:

- V roku 1903 bola pozorovaná sigmoidálna krivka väzby hemoglobínu na kyslík.

-V 1910, sigmoidální krivky O ₂ väzby na hemoglobín sa matematicky popísať pomocou Hillovej rovnice.

- V roku 1954 Novick a Szilard ukázali, že enzým nachádzajúci sa na začiatku metabolickej cesty bol inhibovaný konečným produktom tejto dráhy, ktorý je známy ako negatívna spätná väzba.

- V roku 1956 Umbarger zistil, že L-treonín deamináza, prvý enzým biosyntetickej dráhy L-izoleucínu, bola inhibovaná L-izoleucínom a že nevykazovala typickú kinetiku Michaelis-Menten s hyperbolickou krivkou, skôr mala sigmoidálnu krivku.

- V roku 1963, Perutz a kol., Objavil prostredníctvom röntgenového žiarenia konformačné zmeny v štruktúre hemoglobínu, keď sa viaže na kyslík. Monod a Jacob premenovali regulačné miesta na „alosterické miesta“.

- V roku 1965 Monod, Wyman a Changeux navrhli symetrický model alebo model MWC (počiatočné písmená Monod, Wyman a Changeux) na vysvetlenie alosterických interakcií.

- V roku 1966 Koshland, Nemethy a Filmer navrhli sekvenčný alebo indukovaný kopulačný model alebo model KNF na vysvetlenie alosterických interakcií.

- V roku 1988 rôntgenová štruktúra aspartátkarboxylázy preukázala symetrický model predpokladaný Monodom, Wymanom a Changeuxom.

- V 90. rokoch boli mutácie, kovalentné modifikácie a zmeny pH považované za alosterické efektory.

- V roku 1996 rôntgenová štruktúra lac represora demonštrovala alosterické prechody.

Mechanizmy pôsobenia a príklady

-Charakteristiky modelov MWC a KNF alosterickej regulácie

MWC model

Pôvodná hypotéza modelu MWC navrhovala nasledujúce (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Allosterické proteíny sú oligoméry vyrobené zo symetricky príbuzných protomérov. Protoméry sú tvorené polypeptidovými reťazcami alebo podjednotkami.

Oligoméry majú najmenej dva konformačné stavy (R a T). Oba stavy (kvartérnej štruktúry) spontánne vytvárajú rovnováhu s viazaným ligandom alebo bez neho.

Keď dôjde k prechodu z jedného stavu do druhého, symetria sa zachová a afinita miesta (alebo niekoľkých) stereošpecifických miest k ligandu sa zmení.

Týmto spôsobom kooperatívna väzba ligandov vyplýva zo kooperatívnej interakcie medzi podjednotkami.

Model KNF

Hypotéza modelu KNF navrhla nasledujúce (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Väzba ligandu vedie k zmene terciárnej štruktúry v podjednotke. Táto zmena konformácie ovplyvňuje susedné podjednotky.

Väzbová afinita proteínového ligandu závisí od počtu ligandov, ktoré drží pohromade. Alosterické proteíny teda majú mnoho konformačných stavov, ktoré zahŕňajú medziprodukty.

Počas posledných piatich desaťročí sa modely MWC a KNF hodnotili prostredníctvom biochemických a štrukturálnych štúdií. Ukázalo sa, že množstvo alosterických proteínov vrátane enzýmov vyhovuje tomu, čo sa navrhuje v modeli MWC, aj keď existujú výnimky.

Model MWC a alosterické enzýmy (alebo alosterické regulačné enzýmy)

Allosterické enzýmy sú často väčšie a komplexnejšie ako nealosterické enzýmy. Aspartáttrakarbamyláza (Asp-transkarbamyláza alebo ATCáza) a fosfhofruktokináza-1 (PFK-1) sú klasické príklady alosterických enzýmov, ktoré sú v súlade s modelom MWC.

Dom z

ATCáza katalyzuje prvú reakciu biosyntetickej dráhy pyrimidínového nukleotidu (CTP a UTP) a používa Asp ako substrát. Štruktúra ATCázy pozostáva z katalytických a regulačných podjednotiek. ATCáza má dva konformačné stavy R a T. Symetria medzi týmito dvoma stavmi je zachovaná.

Kinetika ATCázy (počiatočná rýchlosť ATCázy s rôznymi koncentráciami aspartátu) je charakterizovaná sigmoidovou krivkou. To naznačuje, že ATCasa má kooperatívne správanie.

ATCáza je spätná väzba inhibovaná pomocou CTP. Sigmoidová krivka ATCázy v prítomnosti CTP je vpravo od sigmoidovej krivky ATCázy v neprítomnosti CTP. Zvýšenie hodnoty Michaelis-Mentenové (K _m ) dokladá .

To znamená, že v prítomnosti CTP vyžaduje ATCáza vyššiu koncentráciu aspartátu na dosiahnutie polovice maximálnej rýchlosti ( _Vmax ) v porovnaní s ATCázou v neprítomnosti CTP.

Záverom možno povedať, že CTP je heterotropný negatívny alosterický efektor, pretože znižuje afinitu ATCázy k aspartátu. Toto správanie je známe ako negatívna spolupráca.

PFK - 1

PFK-1 katalyzuje tretiu reakciu glykolýzy. Táto reakcia spočíva v prenose fosfátovej skupiny z ATP na 6-fosfát fruktózy. Štruktúra PFK-1 je tetramér, ktorý vykazuje dva konformačné stavy R a T. Symetria medzi týmito dvoma stavmi je zachovaná.

Kinetika PFK-1 (počiatočná rýchlosť s rôznymi koncentráciami fruktózy 6-fosfátu) vykazuje sigmoidovú krivku. PFK-1 podlieha komplexnej alosterickej regulácii prostredníctvom ATP, AMP a frutóza-2,6-bisfosfátu, konkrétne:

Sigmoidová krivka PFK-1 v prítomnosti vysokej koncentrácie ATP je vpravo od sigmoidovej krivky pri nízkej koncentrácii ATP (obrázok 4). Zvýšenie hodnoty Michaelis-Mentenové (K _m ) dokladá .

V prítomnosti vysokej koncentrácie ATP vyžaduje PFK-1 vyššiu koncentráciu 6-fosfátu fruktózy na dosiahnutie polovice maximálnej rýchlosti ( _Vmax ).

Záverom je možné povedať, že ATP je okrem substrátu aj negatívnym heterotropným alosterickým efektorom, pretože znižuje afinitu PFK-1 pre fruktózu 6-fosfát.

Sigmoidná krivka PFK-1 v prítomnosti AMP leží vľavo od sigmoidnej krivky PFK-1 v prítomnosti ATP. To znamená, že AMP eliminuje inhibičný účinok ATP.

V prítomnosti AMP vyžaduje PFK-1 nižšiu koncentráciu 6-fosfátu fruktózy na dosiahnutie polovice maximálnej rýchlosti ( _Vmax ). To sa prejavuje v tom, že dochádza k poklesu hodnoty konštanty Michaelis-Mentenové (K _m ).

Záverom je možné povedať, že AMP je pozitívny heterotropný alosterický efektor, pretože zvyšuje väzbovú afinitu PFK-1 pre fruktózu 6-fosfát. Frutóza-2,6-bisfosfát (F2,6BP) je účinný alosterický aktivátor PFK-1 (obrázok 5) a jeho správanie je podobné chovaniu AMP.

Model MWC je bežný, ale nie univerzálny

Z celkovej proteínovej štruktúry uloženej v PDB (proteínová databanka) je polovica oligomérmi a druhá polovica monoméry. Ukázalo sa, že kooperácia nevyžaduje viac ligandov alebo zostavenie viacerých podjednotiek. To je prípad glukokinázy a iných enzýmov.

Glukokináza je monomérna, má polypeptidový reťazec a vykazuje sigmoidálnu kinetiku v reakcii na zvýšenú koncentráciu glukózy v krvi (Porter a Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Existujú rôzne modely, ktoré vysvetľujú kooperatívnu kinetiku v monomérnych enzýmoch, a to: mnemonický model, ligandom indukovaný model pomalého prechodu, náhodné pridávanie substrátov v biomolekulárnych reakciách, typy pomalých konformačných zmien, okrem iného.

Štúdie štruktúry glukokinázy podporili mnemonický model

Normálny ľudský glukokinázy má K _m 8 mM glukózy. Táto hodnota je blízka koncentrácii glukózy v krvi.

Existujú pacienti, ktorí trpia detskou rezistentnou hyperinzulinémiou (PHHI). Glukokinázy týchto pacientov má nižšiu K _m pre glukózy než bežné glucokinases a kooperativita je výrazne znížená.

Títo pacienti majú preto variantu glukokinázy, ktorá je hyperaktívna, ktorá môže byť v závažných prípadoch fatálna.

Aplikácia alosterizmu

Allostry a katalýza sú úzko prepojené. Z tohto dôvodu môžu alosterické účinky ovplyvniť charakteristiky katalýzy, ako je väzba ligandu, uvoľňovanie ligandu.

Cieľovými miestami pre nové lieky môžu byť alosterické väzobné miesta. Je to preto, že alosterický efektor môže ovplyvniť funkciu enzýmu. Identifikácia alosterických miest je prvým krokom v objave liekov, ktoré zvyšujú funkciu enzýmov.

Referencie

1. Changeux, JP 2012. Allostery a model Monod-Wyman-Changeux Po 50 rokoch. Ročný prehľad biofyziky a biomolekulárnej štruktúry, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 rokov alosterických interakcií: zvraty a zákruty modelov. Molecular Cell Biology, in Nature Reviews, 14: 1-11.
3. Goodey, NM a Benkovic, SJ 2008. Allosterická regulácia a katalýza sa objavujú spoločnou cestou. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Štrukturálny základ pre alosterickú reguláciu monomérneho alosterického enzýmu ľudskej glukokinázy. Structure, 12: 429 - 388.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Porovnanie experimentálnych väzbových údajov a teoretických modelov v proteínoch obsahujúcich podjednotky. Biochemistry, 5: 365 - 385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. O povahe alosterických prechodov: vierohodný model. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL a Cox, MM, 2008. Lehninger - Principles of Biochemistry. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM a Miller, BG 2012. Spolupráca v monomérnych enzýmoch s miestami viažucimi jednotlivé ligandy. Bioorgan Chemistry, 43: 44-50.
9. Voet, D. a Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley and Sons, USA.