ALLOSTEROZES FERMENTI: RAKSTUROJUMS, DARBĪBAS MEHĀNISMI, PIEMĒRI - BIOLOĢIJA - 2025

Allostcric modifīcation sq ferments (no grieķu: allo, dažādi + stereo, trīsdimensiju telpa) ir proteīns, kurā notiek netiešā mijiedarbība starp topogrāfiski dažādās vietās, saistoties ar substrātu un regulējošo molekulu (ligands).

Ligandu saistīšanos ar konkrētu vietu ietekmē cita efektora ligandi (vai modulatora ligands) saistīšanās ar atšķirīgu (alosterisko) enzīma vietu. To sauc par allosterisku mijiedarbību vai sadarbības mijiedarbību.

Fermenta piemērs. Avots: Tomass Šafejs

Kad efektora ligands palielina cita ligandu saistīšanās afinitāti ar fermentu, kooperatīva ir pozitīva. Kad afinitāte samazinās, kooperatīva ir negatīva. Ja sadarbības mijiedarbībā piedalās divi identiski ligandi, efekts ir homotropisks, un, ja abi ligandi ir atšķirīgi, efekts ir heterotropisks.

Kooperatīvā mijiedarbība rada atgriezeniskas izmaiņas fermenta molekulārajā struktūrā terciārā un ceturtējā struktūras līmenī. Šīs izmaiņas sauc par konformācijas izmaiņām.

Vēsture

Allosteriskās mijiedarbības jēdziens parādījās vairāk nekā pirms 50 gadiem. Laika gaitā tā ir attīstījusies, proti:

- 1903. gadā tika novērota hemoglobīna saistīšanās ar skābekli sigmoidālā līkne.

- 1910. gadā matemātiski tika aprakstīta O ₂ saistīšanās ar hemoglobīnu sigmoidālā līkne, izmantojot Hila vienādojumu.

- 1954. gadā Noviks un Szilards parādīja, ka fermentu, kas atrodas metabolisma ceļa sākumā, kavē šī ceļa gala produkts, ko sauc par negatīvu atgriezenisko saiti.

- 1956. gadā Umbargers atklāja, ka L-treleīna deamināzi, kas ir pirmais L-izoleicīna biosintēzes ceļa enzīms, kavē L-izoleicīns, un ka tai nav raksturīgas Mihaela-Menena kinētikas ar hiperbolisko līkni, drīzāk tai bija sigmoidāla līkne.

-Perutz et al., 1963. gadā, izmantojot rentgena starus, atklāja konformācijas izmaiņas hemoglobīna struktūrā, kad tas saistās ar skābekli. Monods un Jēkabs pārdēvēja normatīvās vietnes par "allosteriskām vietnēm".

- 1965. gadā Monods, Vaimens un Keitss ierosināja simetrisko modeli vai MWC modeli (Monodas, Veimana un Keitē sākotnējie burti), lai izskaidrotu allosterisko mijiedarbību.

- 1966. gadā Koshlands, Nemetijs un Filmers ierosināja secīgo vai inducēto savienošanas modeli jeb KNF modeli, lai izskaidrotu allosterisko mijiedarbību.

- 1988. gadā aspartāta transkarbamilāzes rentgenstaru struktūra parādīja simetrisko modeli, ko postīja Monods, Vimans un Changeux.

- Deviņdesmitajos gados mutācijas, kovalentās modifikācijas un pH izmaiņas tika uzskatītas par allosteriskiem efektoriem.

- 1996. gadā lac represora rentgena struktūra parādīja allosteriskās pārejas.

Darbības mehānismi un piemēri

-Alosteriskās regulēšanas MWC un KNF modeļu raksturojums

MWC modelis

Sākotnējā MWC modeļa hipotēze ierosināja sekojošo (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Allosteriskie proteīni ir oligomēri, kas sastāv no simetriski saistītiem protomēriem. Protomērus veido polipeptīdu ķēdes vai apakšvienības.

Oligomēriem ir vismaz divi konformācijas stāvokļi (R un T). Abi stāvokļi (kvartāra struktūras) spontāni izveido līdzsvaru ar vai bez saistītā liganda.

Kad notiek pāreja no viena stāvokļa uz otru, tiek saglabāta simetrija un mainīta vietas (vai vairāku) stereospecifisko vietu afinitāte pret ligandu.

Tādā veidā ligandu kooperatīvā saistīšanās izriet no sadarbības mijiedarbības starp apakšvienībām.

KNF modelis

KNF modeļa hipotēze ierosināja sekojošo (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Ligandu saistīšana rada izmaiņas apakšvienības terciārajā struktūrā. Šīs izmaiņas konformācijā ietekmē kaimiņu apakšvienības.

Olbaltumvielu ligandu saistīšanās afinitāte ir atkarīga no tā, cik daudz ligandu tas tur kopā. Tādējādi allosteriskajiem proteīniem ir vairāki konformācijas stāvokļi, kas ietver starpposma stāvokļus.

Pēdējo piecu gadu desmitu laikā MWC un KNF modeļi ir novērtēti, izmantojot bioķīmiskos un struktūras pētījumus. Tika parādīts, ka daudzi allosteriskie proteīni, ieskaitot fermentus, atbilst ierosinātajam MWC modelī, lai arī ir izņēmumi.

MWC modelis un alosterīvie enzīmi (vai alosterīnie regulējošie enzīmi)

Allosteriskie fermenti bieži ir lielāki un sarežģītāki nekā ne-allosterīlie fermenti. Aspartāta transkarbamilāze (Asp transkarbamilāze vai ATCase) un fosfofruktokināze-1 (PFK-1) ir klasiski alosterijas enzīmu piemēri, kas atbilst MWC modelim.

AT māja

ATCase katalizē pirimidīna nukleotīdu biosintēzes ceļa (CTP un UTP) pirmo reakciju un kā substrātu izmanto Asp. ATCase struktūra sastāv no katalītiskām un regulējošām apakšvienībām. ATCase ir divi konformācijas stāvokļi R un T. Tiek saglabāta simetrija starp šiem diviem stāvokļiem.

ATCase kinētiku (sākotnējais ATCase ātrums ar dažādām aspartāta koncentrācijām) raksturo sigmoīdā līkne. Tas norāda, ka ATCasa darbojas uz sadarbību.

CTP kavē atgriezenisko saiti ATCase. ATCase sigmoid līkne CTP klātbūtnē ir pa labi no ATCase sigmoid līknes, ja CTP nav. Ir redzams Miķeļa-Menena konstantes (K _m ) vērtības pieaugums .

Tas ir, CTP klātbūtnē ATCase prasa augstāku aspartāta koncentrāciju, lai sasniegtu pusi no maksimālās likmes (V _max ), salīdzinot ar ATCase, ja CTP nav.

Noslēgumā jāsaka, ka CTP ir heterotropiski negatīvs allosteris efektors, jo tas samazina ATCase afinitāti pret aspartātu. Šī uzvedība ir zināma kā negatīva sadarbība.

PFK - 1

PFK-1 katalizē glikolīzes ceļa trešo reakciju. Šī reakcija sastāv no fosfātu grupas pārvietošanas no ATP uz fruktozes 6-fosfātu. PFK-1 struktūrā ir tetramers, kuram ir divi konformācijas stāvokļi R un T. Tiek saglabāta simetrija starp šiem diviem stāvokļiem.

PFK-1 kinētikai (sākotnējais ātrums ar dažādām fruktozes 6-fosfāta koncentrācijām) ir parādīta sigmoīdā līkne. PFK-1 ir pakļauts kompleksam allostatiskam regulējumam ar ATP, AMP un frutozes-2,6-bisfosfāta palīdzību, proti:

PFK-1 sigmoīdā līkne augstas ATP koncentrācijas klātbūtnē atrodas pa labi no sigmoīdā līknes ar zemu ATP koncentrāciju (4. attēls). Ir redzams Miķeļa-Menena konstantes (K _m ) vērtības pieaugums .

Augstas ATP koncentrācijas klātbūtnē PFK-1 nepieciešama augstāka fruktozes 6-fosfāta koncentrācija, lai sasniegtu pusi no maksimālā daudzuma (V _max ).

Noslēgumā jāsaka, ka ATP papildus tam, ka tas ir substrāts, ir arī negatīvs heterotropisks allosteris efektors, jo tas samazina PFK-1 afinitāti pret fruktozes 6-fosfātu.

PFK-1 sigmoīdā līkne AMP klātbūtnē atrodas pa kreisi no PFK-1 sigmoidās līknes ATP klātbūtnē. Tas ir, AMP novērš ATP kavējošo iedarbību.

AMP klātbūtnē PFK-1 nepieciešama zemāka fruktozes 6-fosfāta koncentrācija, lai sasniegtu pusi no maksimālā daudzuma (V _max ). Tas izpaužas faktā, ka Miķeļa-Mentena konstanti (K _m ) ir samazinājusies vērtība .

Noslēgumā jāsecina, ka AMP ir pozitīvs heterotropisks allosteris efektors, jo palielina PFK-1 saistīšanās afinitāti pret fruktozes 6-fosfātu. Frutose-2,6-bisfosfāts (F2,6BP) ir spēcīgs PFK-1 allosteriskais aktivators (5. attēls), un tā izturēšanās ir līdzīga AMP rīcībai.

MWC modelis ir izplatīts, bet ne universāls

No visām olbaltumvielu struktūrām, kas nogulsnētas PBP (olbaltumvielu datu banka), puse ir oligomēri, bet otra puse ir monomēri. Ir pierādīts, ka sadarbībai nav nepieciešami vairāki ligandi vai vairāku apakšvienību komplektēšana. Tas attiecas uz glikokināzi un citiem fermentiem.

Glikokināze ir monomēra, tai ir polipeptīdu ķēde un tai piemīt sigmoidāla kinētika, reaģējot uz paaugstinātu glikozes koncentrāciju asinīs (Porter and Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Ir dažādi modeļi, kas izskaidro monomēru enzīmu kooperatīvo kinētiku, proti: mnemonisks modelis, ligandu izraisīts lēnas pārejas modelis, substrātu nejauša pievienošana biomolekulārās reakcijās, lēnu konformācijas izmaiņu veidi, cita starpā.

Glikokināzes struktūras pētījumi apstiprina mnemonisko modeli

Normāla cilvēka glikokināzes glikozes K _m ir 8 mM. Šī vērtība ir tuvu glikozes koncentrācijai asinīs.

Ir pacienti, kuri cieš no bērnībā izturīgas pret hiperinsulinēmiju (PHHI). Šo pacientu glikokināzes glikozes K _m ir zemāks nekā parasto glikokināžu, un kooperatīva darbība ir ievērojami samazināta.

Līdz ar to šiem pacientiem ir hiperaktīvs glikokināzes variants, kas smagos gadījumos var būt letāls.

Allosterisma pielietojumi

Allostrija un katalīze ir cieši saistītas. Sakarā ar to allosteriskā iedarbība var ietekmēt tādas katalīzes īpašības kā ligandu saistīšana, ligandu izdalīšanās.

Jaunu medikamentu mērķauditorija var būt aliosterozes saistīšanas vietas. Tas notiek tāpēc, ka allosteriskais efektors var ietekmēt fermenta darbību. Allosterisko vietu identificēšana ir pirmais solis tādu zāļu atklāšanā, kas uzlabo fermentu darbību.

Atsauces

1. Changeux, JP 2012. Allostery un Monod-Wyman-Changeux modelis Pēc 50 gadiem. Gada pārskats par biofiziku un biomolekulāro struktūru, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 gadu alosteriskā mijiedarbība: modeļu pagriezieni un pagriezieni. Molekulāro šūnu bioloģija, rakstā Nature, 14: 1–11.
3. Goodey, NM un Benkovic, SJ 2008. Allosteriskā regulēšana un katalīze rodas pa kopīgu ceļu. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Monomēriskā allosteriskā enzīma cilvēka glikokināzes allosteriskās regulācijas strukturālais pamats. Struktūra, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Eksperimentālo saistīšanas datu un teorētisko modeļu salīdzinājums olbaltumvielās, kas satur subvienības. Bioķīmija, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Par allosterisko pāreju raksturu: ticams modelis. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelsons, DL un Kokss, MM, 2008. Lehninger - Bioķīmijas principi. WH Freeman and Company, Ņujorka.
8. Porters, CM un Millers, BG 2012. Sadarbība monomēru fermentos ar atsevišķām ligandu saistīšanas vietām. Bioorganic Chemistry, 43: 44-50.
9. Voet, D. un Voet, J. 2004. Bioķīmija. Džons Vilijs un dēli, ASV.