ALOSTERNI ENZIMI: KARAKTERISTIKE, MEHANIZMI DJELOVANJA, PRIMJERI - BIOLOGIJA - 2026

Alosterički enzim (iz grč alo različiti + stereo, trodimenzionalni prostor) je protein koji u indirektni interakcija odvija između topografski različitih mjesta, od vezanja supstrata i regulatornih molekula liganada ().

Na vezivanje liganda na specifičnom mjestu utječe vezanje drugog efektorskog liganda (ili modulacijskog liganda) na drugo (alosterno) mjesto u enzimu. To je poznato kao alosterične interakcije ili interakcije u suradnji.

Primjer enzima. Izvor: Thomas Shafee

Kad efektor ligand poveća afinitet vezanja drugog liganda na enzim, kooperativnost je pozitivna. Kad se afinitet smanji, kooperativnost je negativna. Ako dva identična liganda sudjeluju u kooperativnoj interakciji, učinak je homotropic, a ako su dva liganda različita, učinak je heterotropan.

Kooperativna interakcija proizvodi reverzibilne promjene u molekularnoj strukturi enzima, na razini tercijarne i kvaternarne strukture. Te su promjene poznate kao konformacijske promjene.

Povijest

Koncept alosterične interakcije pojavio se prije više od 50 godina. Razvio se kroz vrijeme, naime:

-U 1903. uočena je sigmoidna krivulja vezanja hemoglobina na kisik.

-U 1910, Sigmoidalna krivulja O ₂ veže na hemoglobin matematički opisan pomoću Hill jednadžbe.

U 1954, Novick i Szilard pokazali su da je enzim smješten na početku metaboličkog puta inhibiran krajnjim produktom ovog puta, što je poznato kao negativna povratna informacija.

U 1956., Umbarger je otkrio da je L-treonin deaminaza, prvi enzim na putu biosinteze L-izolevcina, inhibiran L-izoleucinom, i da ne pokazuje tipičnu Michaelis-Mentenovu kinetiku s hiperboličkom krivuljom, radije je imao sigmoidnu krivulju.

-U 1963., Perutz i sur., Otkrili su pomoću X-zraka konformacijske promjene u strukturi hemoglobina kada se on veže na kisik. Monod i Jacob preimenovali su regulatorna mjesta u "alosterična mjesta".

- 1965. Monod, Wyman i Changeux predlažu simetrični model, odnosno MWC model (početna slova Monod, Wyman i Changeux) kako bi objasnili alosterične interakcije.

- 1966. Koshland, Nemethy i Filmer su predložili sekvencijalni ili inducirani model spajanja, ili KNF model, kako bi objasnili alosterne interakcije.

-1988., rendgenska struktura aspartat transkarbamilaze pokazala je simetrični model koji su postavili Monod, Wyman i Changeux.

-U 90-im godinama su mutacije, kovalentne modifikacije i pH promjene smatrane alosternim učincima.

- Godine 1996. rendgenska struktura lacnog represora pokazala je alosterične prijelaze.

Mehanizmi djelovanja i primjeri

- Karakteristike MWC i KNF modela alosterične regulacije

MWC model

Izvorna hipoteza MWC modela predložila je sljedeće (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Alosterični proteini su oligomeri sastavljeni od simetrično povezanih protoka. Protomeri se sastoje od polipeptidnih lanaca ili podjedinica.

Oligomeri imaju najmanje dva stanja konformacije (R i T). Oba stanja (kvartarne strukture) spontano uspostavljaju ravnotežu, sa ili bez vezanim ligandom.

Kad se dogodi prijelaz iz jednog stanja u drugo, simetrija se čuva, a afinitet mjesta (ili nekoliko) stereospecifičnih mjesta za ligandom se mijenja.

Na taj način, kooperativno vezanje liganda slijedi iz kooperativne interakcije između podjedinica.

KNF model

Hipoteza modela KNF predložila je sljedeće (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966.): Vezanje liganda uzrokuje promjenu tercijarne strukture u podjedinici. Ova promjena konformacije utječe na susjedne podjedinice.

Afinitet vezanja proteinskog liganda ovisi o broju liganda koje drži zajedno. Dakle, alosterni proteini imaju višestruka konformacijska stanja koja uključuju intermedijarna stanja.

Tijekom posljednjih pet desetljeća, biokemijske i strukturne studije evaluirane su MWC i KNF modeli. Pokazano je da su brojni alosterični proteini, uključujući enzime, u skladu s onim što je predloženo u MWC modelu, iako postoje iznimke.

MWC model i alosterni enzimi (ili alosterni regulatorni enzimi)

Alosterni enzimi često su veći i složeniji od ne-alosternih enzima. Aspartat transkarbamilaza (Asp transkarbamilaza ili ATCaza) i foshofruktokinaza-1 (PFK-1) klasični su primjeri alosternih enzima koji su u skladu s MWC modelom.

AT Kuća od

ATCase katalizira prvu reakciju puta biosinteze pirimidinskog nukleotida (CTP i UTP) i koristi Asp kao supstrat. Struktura ATCase sastoji se od katalitičke i regulatorne podjedinice. ATCase ima dva konformacijska stanja R i T. Simetrija između tih dviju stanja je očuvana.

Kinetika ATC-a (početna brzina ATC-a s različitim koncentracijama aspartata) karakterizirana je sigmoidnom krivuljom. To ukazuje da ATCasa ima suradničko ponašanje.

ATCase je povratna informacija inhibirana CTP-om. Sigmoidna krivulja ATCase, u prisustvu CTP, nalazi se desno od sigmoidne krivulje ATCase u odsutnosti CTP. Dokazano je povećanje vrijednosti konstante Michaelis-Menten (K _m).

Odnosno, u prisutnosti CTP-a, ATCase zahtijeva veću koncentraciju aspartata kako bi dostigla polovicu maksimalne stope (V _max), u usporedbi s ATCase-om u odsutnosti CTP-a.

Zaključno, CTP je heterotropni negativni alosterni efektor jer smanjuje afinitet ATCaze prema aspartatu. Ovo je ponašanje poznato kao negativna suradnja.

PFK - 1

PFK-1 katalizira treću reakciju puta glikolize. Ta se reakcija sastoji od prijenosa fosfatne skupine s ATP-a na fruktozni 6-fosfat. Struktura PFK-1 je tetramer koji pokazuje dva konformacijska stanja R i T. Simetrija između ta dva stanja je očuvana.

Kinetika PFK-1 (početna brzina s različitim koncentracijama fruktoze 6-fosfata) pokazuje sigmoidnu krivulju. PFK-1 podložan je složenoj alosternoj regulaciji ATP-om, AMP-om i frutose-2,6-bisfosfatom, naime:

Sigmoidna krivulja PFK-1, u prisustvu visoke koncentracije ATP-a, nalazi se desno od sigmoidne krivulje pri niskoj koncentraciji ATP-a (slika 4). Dokazano je povećanje vrijednosti konstante Michaelis-Menten (K _m).

U prisutnosti visoke koncentracije ATP-a, PFK-1 zahtijeva veću koncentraciju fruktoze 6-fosfata da dosegne polovicu maksimalne stope (V _max).

Zaključno, ATP je, osim što je supstrat, negativan heterotropni alosterni efektor jer smanjuje afinitet PFK-1 prema fruktoznom 6-fosfatu.

Sigmoidna krivulja PFK-1, u prisustvu AMP, leži lijevo od sigmoidne krivulje PFK-1 u prisutnosti ATP-a. Odnosno, AMP uklanja inhibicijski učinak ATP-a.

U prisutnosti AMP-a, PFK-1 zahtijeva nižu koncentraciju fruktoze 6-fosfata kako bi dostigla polovicu maksimalne brzine (V _max). To se očituje u činjenici da dolazi do pada vrijednosti konstante Michaelis-Menten (K _m).

Zaključno, AMP je pozitivan heterotropni alosterni efektor jer povećava afinitet vezanja PFK-1 za fruktozni 6-fosfat. Frutoza-2,6-bisfosfat (F2,6BP) moćan je alosterni aktivator PFK-1 (slika 5), ​​a njegovo ponašanje je slično onome AMP.

MWC model je uobičajen, ali nije univerzalan

Od ukupnih proteinskih struktura deponiranih u PDB (Protein data bank), polovina su oligomeri, a druga polovica monomeri. Pokazano je da za kooperativnost nisu potrebni višestruki ligandi ili sastavljanje više podjedinica. To se odnosi na glukokinazu i ostale enzime.

Glukokinaza je monomerna, ima polipeptidni lanac i pokazuje sigmoidnu kinetiku kao odgovor na povećanu koncentraciju glukoze u krvi (Porter i Miller, 2012; Kamata i sur., 2004).

Postoje različiti modeli koji objašnjavaju kinetiku suradnje u monomernim enzimima, a to su: mnemonički model, model sporog prijelaza izazvan ligandom, slučajno dodavanje supstrata u biomolekularnim reakcijama, vrste sporih konformacijskih promjena, među ostalim.

Studije strukture glukokinaze poduprle su mnemonijski model

Normalna ljudska glukokinaza ima K _m od 8 mM glukoze. Ova je vrijednost blizu koncentracije glukoze u krvi.

Postoje pacijenti koji pate od hiperinzulinemije u djetinjstvu rezistentne na pes (PHHI). Glukokinaza ovih bolesnika ima niži K _m glukoze u odnosu na normalne glukokinaze, a kooperativnost je značajno smanjena.

Posljedično, ovi pacijenti posjeduju hiperaktivnu varijantu glukokinaze, što u teškim slučajevima može biti kobno.

Primjene alosterizma

Alostrija i kataliza usko su povezani. Zbog toga alosterični učinci mogu utjecati na katalitičke karakteristike poput vezanja liganda, otpuštanja liganda.

Mjesta vezanja alostera mogu biti meta novih lijekova. To je zato što alosterni efektor može utjecati na funkciju enzima. Identifikacija alostericnih mjesta prvi je korak u otkrivanju lijekova koji pojacavaju funkciju enzima.

Reference

1. Changeux, JP 2012. Allostery i model Monod-Wyman-Changeux Nakon 50 godina. Godišnji pregled biofizike i biomolekularne strukture, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 godina alosteričnih interakcija: preokreti modela. Molecular Cell Biology, u časopisu Nature, 14: 1–11.
3. Goodey, NM i Benković, SJ 2008. Allosterična regulacija i kaliza nastaju zajedničkim putem. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Strukturna osnova alosterne regulacije monomernog alosternog enzima humane glukokinaze. Struktura, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Usporedba podataka eksperimentalnog vezivanja i teorijskih modela u proteinima koji sadrže podjedinice. Biokemija, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. O prirodi alosterskih prijelaza: uvjerljiv model. Časopis za molekularnu biologiju, 12: 88–118.
7. Nelson, DL i Cox, MM, 2008. Lehninger - Principi biokemije. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM i Miller, BG 2012. Suradnja u monomernim enzimima s jedinstvenim mjestima koja vežu ligande. Bioorganska kemija, 43: 44-50.
9. Voet, D. i Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley i sinovi, SAD.