ALLOSTERISKA ENZYMER: EGENSKAPER, VERKNINGSMEKANISMER, EXEMPEL - BIOLOGI - 2025

Ett allosteriskt enzym (från det grekiska: allo, olika + stereor, tredimensionellt utrymme) är ett protein där indirekta interaktioner inträffar mellan topografiskt olika ställen, genom bindning av substrat och reglerande molekyler (ligander).

Bindningen av en ligand till ett specifikt ställe påverkas av bindningen av en annan effektorligand (eller modulatorligand) till ett annat (allosteriskt) ställe på enzymet. Detta kallas allosteriska interaktioner eller samarbetsinteraktioner.

Exempel på ett enzym. Källa: Thomas Shafee

När effektorliganden ökar bindningsaffiniteten för en annan ligand till enzymet är kooperativiteten positiv. När affiniteten minskar är kooperativiteten negativ. Om två identiska ligander deltar i den samverkande interaktionen är effekten homotropisk, och om de två liganderna är olika är effekten heterotrop.

Kooperativ interaktion producerar reversibla förändringar i enzymets molekylstruktur på tertiär och kvartär struktur. Dessa förändringar kallas konformationella förändringar.

Historia

Begreppet allosterisk interaktion uppstod för mer än 50 år sedan. Det har utvecklats genom tiden, nämligen:

-I 1903 observerades den sigmoidala kurvan för bindning av hemoglobin till syre.

-I 1910, den sigmoidala kurvan i O ₂ -bindning var till hemoglobin matematiskt beskrivas med användning av Hills ekvation.

-In 1954 visade Novick och Szilard att ett enzym lokaliserat i början av en metabolisk väg hämmas av slutprodukten av denna väg, som kallas negativ feedback.

-Under 1956 upptäckte Umbarger att L-treonindeaminas, det första enzymet i L-isoleucin-biosyntesvägen, hämmades av L-isoleucin, och att det inte uppvisade typiska Michaelis-Menten-kinetik med en hyperbolisk kurva, snarare hade den en sigmoidal kurva.

-I 1963 upptäckte Perutz et al. Genom röntgenstrålar konformationella förändringar i hemoglobinstrukturen när det binder till syre. Monod och Jacob döpte om de reglerande webbplatserna "allosteriska webbplatser."

-I 1965 föreslog Monod, Wyman och Changeux den symmetriska modellen, eller MWC-modellen (initiala bokstäver i Monod, Wyman och Changeux) för att förklara allosteriska interaktioner.

1966 föreslog Koshland, Nemethy och Filmer den sekventiella eller inducerade kopplingsmodellen, eller KNF-modellen, för att förklara allosteriska interaktioner.

-I 1988 demonstrerade röntgenstrukturen för aspartattranskarbamylas den symmetriska modellen postulerad av Monod, Wyman och Changeux.

-Under 1990-talet betraktades mutationer, kovalenta modifikationer och pH-förändringar som allosteriska effekter.

-I 1996 demonstrerade lac-repressorns röntgenstruktur allosteriska övergångar.

Handlingsmekanismer och exempel

-Kännetecken för MWC- och KNF-modellerna av allosterisk reglering

MWC-modell

Den ursprungliga hypotesen om MWC-modellen föreslog följande (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Allosteriska proteiner är oligomerer som består av symmetriskt relaterade protomerer. Protomerer består av polypeptidkedjor eller underenheter.

Oligomererna har minst två konformationstillstånd (R och T). Båda tillstånden (med den kvartära strukturen) skapar spontant en jämvikt, med eller utan bunden ligand.

När övergången från ett tillstånd till ett annat inträffar bevaras symmetri och affiniteten hos en plats (eller flera) stereospecifika platser mot en ligand ändras.

På detta sätt följer den kooperativa bindningen av liganderna från den kooperativa interaktionen mellan subenheter.

KNF-modell

KNF-modellhypotesen föreslog följande (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Ligandbindning ger en förändring i tertiär struktur i en underenhet. Denna förändring i konformation påverkar angränsande underenheter.

Proteinligandens bindningsaffinitet beror på antalet ligander som den håller ihop. Allosteriska proteiner har således flera konformationella tillstånd som inkluderar mellanliggande tillstånd.

Under de senaste fem decennierna har MWC- och KNF-modellerna utvärderats genom biokemiska och strukturella studier. Det visades att många allosteriska proteiner, inklusive enzymer, överensstämmer med vad som föreslås i MWC-modellen, även om det finns undantag.

MWC-modellen och allosteriska enzymer (eller allosteriska reglerande enzymer)

Allosteriska enzymer är ofta större och mer komplexa än icke-allosteriska enzymer. Aspartat-transkarbamylas (Asp-transkarbamylas eller ATCas) och fosfofruktokinas-1 (PFK-1) är klassiska exempel på allosteriska enzymer som överensstämmer med MWC-modellen.

AT House of

ATCase katalyserar den första reaktionen av pyrimidin-nukleotidbiosyntesvägen (CTP och UTP) och använder Asp som ett substrat. Strukturen för ATCase består av katalytiska och reglerande underenheter. ATCasen har två konformationella tillstånd R och T. Symmetrin mellan dessa två tillstånd bevaras.

Kinetiken för ATCase (den initiala hastigheten för ATCas med olika koncentrationer av aspartat) kännetecknas av en sigmoidkurva. Detta indikerar att ATCasa har ett kooperativt beteende.

ATCase är återkopplad av CTP. Sigmoidkurvan för ATCase, i närvaro av CTP, är till höger om sigmoidkurvan för ATCase i frånvaro av CTP. En ökning i värdet på Michaelis-Menten-konstanten (K _m ) framgår .

Det vill säga, i närvaro av CTP kräver ATCase en högre koncentration av aspartat för att nå hälften av den maximala hastigheten ( _Vmax ), jämfört med ATCas i frånvaro av CTP.

Sammanfattningsvis är CTP en heterotropisk negativ allosterisk effektor eftersom den minskar affiniteten hos ATCase för aspartat. Detta beteende kallas negativ kooperativitet.

PFK - 1

PFK-1 katalyserar den tredje reaktionen av glykolysvägen. Denna reaktion består av överföringen av en fosfatgrupp från ATP till fruktos 6-fosfat. Strukturen för PFK-1 är en tetramer, som uppvisar två konformationella tillstånd R och T. Symmetrin mellan dessa två tillstånd bevaras.

Kinetiken för PFK-1 (den initiala hastigheten med olika koncentrationer av fruktos 6-fosfat) uppvisar en sigmoidkurva. PFK-1 är föremål för komplex allosterisk reglering av ATP, AMP och frutos-2,6-bisfosfat, nämligen:

Sigmoidkurvan för PFK-1, i närvaro av en hög ATP-koncentration, är till höger om sigmoidkurvan vid en låg ATP-koncentration (figur 4). En ökning i värdet på Michaelis-Menten-konstanten (K _m ) framgår .

I närvaro av en hög koncentration av ATP kräver PFK-1 en högre koncentration av fruktos 6-fosfat för att nå hälften av den maximala hastigheten ( _Vmax ).

Sammanfattningsvis är ATP, förutom att det är ett substrat, en negativ heterotropisk allosterisk effektor eftersom den minskar affiniteten för PFK-1 för fruktos 6-fosfat.

Sigmoidkurvan för PFK-1, i närvaro av AMP, ligger till vänster om sigmoidkurvan för PFK-1 i närvaro av ATP. Det vill säga AMP eliminerar den hämmande effekten av ATP.

I närvaro av AMP kräver PFK-1 en lägre koncentration av fruktos 6-fosfat för att nå hälften av den maximala hastigheten ( _Vmax ). Detta manifesteras i det faktum att det finns en minskning i värdet på Michaelis-Menten-konstanten (K _m ).

Sammanfattningsvis är AMP en positiv heterotropisk allosterisk effektor eftersom den ökar bindningsaffiniteten för PFK-1 för fruktos 6-fosfat. Frutose-2,6-bisfosfat (F2,6BP) är en potent allosterisk aktivator av PFK-1 (figur 5), och dess beteende liknar det hos AMP.

MWC-modellen är vanlig, men inte universell

Av de totala proteinstrukturerna deponerade i PDB (Protein databank) är hälften oligomerer och den andra hälften monomerer. Det har visats att kooperativitet inte kräver flera ligander eller sammansättningen av flera underenheter. Detta är fallet för glukokinas och andra enzymer.

Glukokinas är monomer, har en polypeptidkedja och uppvisar sigmoidal kinetik som svar på ökad blodsockerkoncentration (Porter och Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Det finns olika modeller som förklarar kooperativ kinetik i monomera enzymer, nämligen: mnemonisk modell, ligandinducerad långsam övergångsmodell, slumpmässig tillsats av substrat i biomolekylära reaktioner, typer av långsam konformationella förändringar, bland andra.

Studier av glukokinasstrukturen har stöttat den mnemoniska modellen

Normalt humant glukokinas har ett K _m av 8 mM för glukos. Detta värde ligger nära blodglukoskoncentrationen.

Det finns patienter som lider av pes-resistent hyperinsulinemi från barndomen (PHHI). Den glukokinas av dessa patienter har en lägre K _m för glukos än normala glucokinases, och kooperativitet har minskat avsevärt.

Följaktligen har dessa patienter en glukokinasvariant som är hyperaktiv, vilket i svåra fall kan vara dödlig.

Tillämpningar av allosterism

Smådrag och katalys är nära kopplade. På grund av detta kan allosteriska effekter påverka katalysegenskaper såsom ligandbindning, ligandfrisättning.

Allosteriska bindningsställen kan vara mål för nya läkemedel. Detta beror på att allosterisk effektor kan påverka enzymets funktion. Identifiering av allosteriska platser är det första steget i upptäckten av läkemedel som förbättrar enzymfunktionen.

referenser

1. Changeux, JP 2012. Allosteri och Monod-Wyman-Changeux-modellen Efter 50 år. Årlig granskning av biofysik och biomolekylär struktur, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 års allosteriska interaktioner: modellernas vändningar. Molecular Cell Biology, in Nature Reviews, 14: 1–11.
3. Goodey, NM och Benkovic, SJ 2008. Allosterisk reglering och katalys uppstår via en gemensam väg. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Strukturell grund för allosterisk reglering av det monomera allosteriska enzymet humant glukokinas. Struktur, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Jämförelse av experimentella bindningsdata och teoretiska modeller i proteiner innehållande underenheter. Biochemistry, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Om naturen av allosteriska övergångar: en trolig modell. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL och Cox, MM, 2008. Lehninger - Principles of Biochemistry. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM och Miller, BG 2012. Kooperativitet i monomera enzymer med enstaka ligandbindande platser. Bioorganic Chemistry, 43: 44-50.
9. Voet, D. och Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley och söner, USA.