ALLOSTERICKÉ ENZYMY: VLASTNOSTI, MECHANISMY ÚČINKU, PŘÍKLADY - BIOLOGIE - 2025

Alosterické enzym (z řeckého: allo, různé + stereo, trojrozměrný prostor) je protein, v němž se vyskytují nepřímých interakcí mezi topograficky různých místech, vazbou substrátů a regulační molekuly (ligandy).

Vazba ligandu na specifické místo je ovlivněna vazbou jiného efektorového ligandu (nebo modulátorového ligandu) na jiné (alosterické) místo na enzymu. Toto je známé jako alosterické interakce nebo kooperativní interakce.

Příklad enzymu. Zdroj: Thomas Shafee

Když efektorový ligand zvyšuje vazebnou afinitu jiného ligandu k enzymu, kooperace je pozitivní. Když afinita klesá, kooperace je negativní. Pokud se na kooperativní interakci podílejí dva identické ligandy, je účinek homotropní a pokud jsou dva ligandy odlišné, je účinek heterotropní.

Kooperativní interakce vede k reverzibilním změnám v molekulární struktuře enzymu na úrovni terciární a kvartérní struktury. Tyto změny se nazývají konformační změny.

Dějiny

Koncept alosterické interakce se objevil před více než 50 lety. Časem se vyvinul, konkrétně:

- V roce 1903 byla pozorována sigmoidální křivka vazby hemoglobinu na kyslík.

V roce 1910 byla sigmoidální křivka vazby O ₂ na hemoglobin matematicky popsána pomocí Hillovy rovnice.

- V roce 1954 Novick a Szilard ukázali, že enzym umístěný na začátku metabolické dráhy byl inhibován konečným produktem této dráhy, který je znám jako negativní zpětná vazba.

- v roce 1956 Umbarger objevil, že L-threonin deamináza, první enzym biosyntetické dráhy L-isoleucinu, byla inhibována L-isoleucinem a že nevykazovala typickou Michaelis-Mentenovu kinetiku s hyperbolickou křivkou, spíš měla sigmoidální křivku.

- V roce 1963, Perutz a kol., Objevil prostřednictvím rentgenových paprsků konformační změny ve struktuře hemoglobinu, když se váže na kyslík. Monod a Jacob přejmenovali regulační místa na „alosterická místa“.

- V roce 1965 navrhli Monod, Wyman a Changeux symetrický model nebo model MWC (počáteční písmena Monod, Wyman a Changeux), aby vysvětlili alosterické interakce.

- V roce 1966 Koshland, Nemethy a Filmer navrhli sekvenční nebo indukovaný kopulační model nebo model KNF, aby vysvětlili alosterické interakce.

- V roce 1988 rentgenová struktura aspartátové transkarbamylázy prokázala symetrický model předpokládaný Monodem, Wymanem a Changeuxem.

- V 90. letech byly mutace, kovalentní modifikace a změny pH považovány za alosterické efektory.

-V roce 1996 rentgenová struktura lac represoru prokázala alosterické přechody.

Mechanismy působení a příklady

-Charakteristiky modelů MWC a KNF alosterické regulace

MWC model

Původní hypotéza modelu MWC navrhovala následující (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Allosterické proteiny jsou oligomery vyrobené ze symetricky příbuzných protomerů. Protomery jsou tvořeny polypeptidovými řetězci nebo podjednotkami.

Oligomery mají alespoň dva stavy konformace (R a T). Oba stavy (kvartérní struktury) spontánně vytvářejí rovnováhu s vázaným ligandem nebo bez něj.

Když dojde k přechodu z jednoho stavu do druhého, symetrie je zachována a afinita místa (nebo několika) stereospecifických míst pro ligand je změněna.

Tímto způsobem kooperativní vazba ligandů vyplývá z kooperativní interakce mezi podjednotkami.

Model KNF

Hypotéza modelu KNF navrhla následující (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Vazba ligandu způsobuje změnu v terciární struktuře v podjednotce. Tato změna konformace ovlivňuje sousední podjednotky.

Vazebná afinita proteinového ligandu závisí na počtu ligandů, které drží pohromadě. Alosterické proteiny tedy mají mnoho konformačních stavů, které zahrnují přechodné stavy.

Během posledních pěti desetiletí byly modely MWC a KNF hodnoceny prostřednictvím biochemických a strukturálních studií. Ukázalo se, že četné alosterické proteiny, včetně enzymů, vyhovují tomu, co je navrženo v modelu MWC, ačkoli existují výjimky.

Model MWC a alosterické enzymy (nebo alosterické regulační enzymy)

Allosterické enzymy jsou často větší a složitější než nealosterické enzymy. Aspartát-transkarbamyláza (Asp-transkarbamyláza nebo ATCáza) a fosfhofruktokináza-1 (PFK-1) jsou klasické příklady alosterických enzymů, které odpovídají modelu MWC.

AT House of

ATCase katalyzuje první reakci biosyntézy pyrimidinové nukleotidové biosyntézy (CTP a UTP) a používá Asp jako substrát. Struktura ATCázy se skládá z katalytických a regulačních podjednotek. ATCase má dva konformační stavy R a T. Symetrie mezi těmito dvěma stavy je zachována.

Kinetika ATCázy (počáteční rychlost ATCázy s různými koncentracemi aspartátu) je charakterizována sigmoidní křivkou. To znamená, že ATCasa má kooperativní chování.

ATCase je zpětná vazba inhibovaná CTP. Sigmoidová křivka ATCázy je v přítomnosti CTP napravo od sigmoidní křivky ATCázy v nepřítomnosti CTP. Zvýšení hodnoty Michaelis-Mentenové (K _m) dokládá.

To znamená, že v přítomnosti CTP ATCase vyžaduje vyšší koncentraci aspartátu, aby dosáhl poloviny maximální rychlosti (_Vmax), ve srovnání s ATCázou v nepřítomnosti CTP.

Závěrem lze říci, že CTP je heterotropní negativní alosterický efektor, protože snižuje afinitu ATCázy k aspartátu. Toto chování je známé jako negativní spolupráce.

PFK - 1

PFK-1 katalyzuje třetí reakci glykolýzy. Tato reakce spočívá v přenosu fosfátové skupiny z ATP na 6-fosfát fruktózy. Struktura PFK-1 je tetramer, který vykazuje dva konformační stavy R a T. Symetrie mezi těmito dvěma stavy je zachována.

Kinetika PFK-1 (počáteční rychlost s různými koncentracemi fruktózy 6-fosfátu) vykazuje sigmoidní křivku. PFK-1 podléhá komplexní alosterické regulaci pomocí ATP, AMP a frutosy-2,6-bisfosfátu, konkrétně:

Sigmoidová křivka PFK-1, v přítomnosti vysoké koncentrace ATP, je vpravo od sigmoidové křivky při nízké koncentraci ATP (obrázek 4). Zvýšení hodnoty Michaelis-Mentenové (K _m) dokládá.

V přítomnosti vysoké koncentrace ATP vyžaduje PFK-1 vyšší koncentraci 6-fosfátu fruktózy k dosažení poloviny maximální rychlosti (_Vmax).

Závěrem lze říci, že ATP, kromě toho, že je substrátem, je negativním heterotropním alosterickým efektorem, protože snižuje afinitu PFK-1 pro fruktózu 6-fosfát.

Sigmoidová křivka PFK-1 v přítomnosti AMP leží vlevo od sigmoidní křivky PFK-1 v přítomnosti ATP. To znamená, že AMP eliminuje inhibiční účinek ATP.

V přítomnosti AMP vyžaduje PFK-1 nižší koncentraci 6-fosfátu fruktózy k dosažení poloviny maximální rychlosti (_Vmax). To se projevuje v tom, že dochází k poklesu hodnoty konstanty Michaelis-Mentenové (K _m).

Závěrem lze říci, že AMP je pozitivní heterotropní allosterický efektor, protože zvyšuje vazebnou afinitu PFK-1 pro fruktózu 6-fosfát. Frutóza-2,6-bisfosfát (F2,6BP) je silný alosterický aktivátor PFK-1 (obrázek 5) a jeho chování je podobné chování AMP.

Model MWC je běžný, ale ne univerzální

Z celkové proteinové struktury uložené v PDB (proteinová databanka) je polovina oligomerů a druhá polovina monomerů. Ukázalo se, že kooperace nevyžaduje více ligandů nebo sestavení více podjednotek. To je případ glukokinázy a dalších enzymů.

Glukokináza je monomerní, má polypeptidový řetězec a vykazuje sigmoidální kinetiku v reakci na zvýšenou koncentraci glukózy v krvi (Porter and Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Existují různé modely, které vysvětlují kinetiku kooperace v monomerních enzymech, jmenovitě: mnemonický model, ligandem indukovaný model pomalého přechodu, náhodné přidání substrátů v biomolekulárních reakcích, typy pomalých konformačních změn, mimo jiné.

Mnemonický model podpořily studie struktury glukokinázy

Normální lidský glukokináza má K _m 8 mM glukózy. Tato hodnota se blíží koncentraci glukózy v krvi.

Existují pacienti, kteří trpí dětskou rezistentní hyperinzulinémií v dětství (PHHI). Glukokináza těchto pacientů má nižší K _m pro glukózy než běžné glucokinases a kooperativita je výrazně snížena.

V důsledku toho tito pacienti mají variantu glukokinázy, která je hyperaktivní, což může být v závažných případech fatální.

Aplikace alosterismu

Allostry a katalýza jsou úzce propojeny. Z tohoto důvodu mohou alosterické účinky ovlivnit vlastnosti katalýzy, jako je vazba ligandu, uvolnění ligandu.

Alosterická vazebná místa mohou být cílem nových léků. Je to proto, že alosterický efektor může ovlivnit funkci enzymu. Identifikace alosterických míst je prvním krokem v objevu léčiv, které zvyšují enzymatickou funkci.

Reference

1. Changeux, JP 2012. Allostery a model Monod-Wyman-Changeux Po 50 letech. Roční přehled biofyziky a biomolekulární struktury, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 let alosterických interakcí: zvraty a otočení modelů. Molecular Cell Biology, in Nature Reviews, 14: 1-11.
3. Goodey, NM a Benkovic, SJ 2008. Allosterická regulace a katalýza se objevují společnou cestou. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Strukturální základ pro alosterickou regulaci monomerního alosterického enzymu lidské glukokinázy. Structure, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Porovnání experimentálních vazebných dat a teoretických modelů v proteinech obsahujících podjednotky. Biochemistry, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. K povaze alosterických přechodů: věrohodný model. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL a Cox, MM, 2008. Lehninger - Základy biochemie. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM a Miller, BG 2012. Spolupráce v monomerních enzymech s jednotlivými místy vázajícími ligand. Bioorganická chemie, 43: 44-50.
9. Voet, D. a Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley and Sons, USA.