АЛОСТЕРНИ ЕНЗИМИ: КАРАКТЕРИСТИКЕ, МЕХАНИЗМИ ДЕЛОВАЊА, ПРИМЕРИ - БИОЛОГИЈА - 2025

Алостеричке ензим (од грчког: алло, различити + стерео, тродимензионални простор) је протеин у коме индиректни интеракције се јављају између топографски различитим локацијама, везивањем супстрата и регулаторних молекула (лиганада).

На везивање лиганда на специфичном месту утиче везивање другог ефекторског лиганда (или модулаторног лиганда) за друго (алостерно) место у ензиму. То је познато као алостеричне интеракције, или кооперативне интеракције.

Пример ензима. Извор: Тхомас Схафее

Када ефекторски лиганд повећа афинитет везања другог лиганда на ензим, кооперативност је позитивна. Када се афинитет смањи, кооперативност је негативна. Ако два идентична лиганда учествују у кооперативној интеракцији, ефекат је хомотропичан, а ако су два лиганда различита, ефекат је хетеротропан.

Кооперативна интеракција производи реверзибилне промене у молекуларној структури ензима, на нивоу терцијарне и кватернарне структуре. Ове промене су познате као конформационе промене.

Историја

Концепт алостеричне интеракције појавио се пре више од 50 година. Развијала се кроз време, наиме:

- 1903. године примећена је сигмоидна кривуља везивања хемоглобина на кисеоник.

-У 1910. године Сигмоидни крива О ₂ везивања за хемоглобин је математички описао коришћењем брду једначину.

-1954, Новицк и Сзилард показали су да је ензим смјештен на почетку метаболичког пута инхибиран крајњим производом овог пута, који је познат као негативна повратна информација.

-У 1956, Умбаргер је открио да је Л-треонин деаминаза, први ензим Л-изолеуцин пута биосинтезе, инхибиран Л-изолеуцином, и да не показује типичну Мицхаелис-Ментен кинетику са хиперболичком кривуљом, радије је имао сигмоидну криву.

- 1963. године Перутз и др. Открили су рендгенским зракама конформацијске промене структуре хемоглобина када се он везује за кисеоник. Монод и Јацоб преименовали су регулаторна места у "алостерична места".

- 1965. Монод, Виман и Цхангеук предлажу симетрични модел, или МВЦ модел (почетна слова Монод, Виман и Цхангеук) како би објаснили алостеричне интеракције.

- 1966. Косхланд, Неметхи и Филмер су предложили секвенцијални или индуковани модел спајања, или КНФ модел, како би објаснили алостерне интеракције.

-1988. године, рендгенска структура аспартат транскарбамилазе показала је симетрични модел који су поставили Монод, Виман и Цхангеук.

-У 1990-им мутације, ковалентне модификације и промене пХ сматрани су алостерним ефекторима.

-1996. године рендгенска структура лацног репресора показала је алостеричне прелазе.

Механизми деловања и примери

- Карактеристике МВЦ и КНФ модела алостеричне регулације

МВЦ модел

Оригинална хипотеза МВЦ модела предложила је следеће (Монод, Виман, Цхангеук, 1965)

Алостерични протеини су олигомери састављени од симетрично повезаних протока. Протомери се састоје од полипептидних ланаца или подјединица.

Олигомери имају најмање два стања конформације (Р и Т). Обе државе (квартарне структуре) спонтано успостављају равнотежу, са или без везаних лиганда.

Када се догоди прелазак из једног стања у друго, симетрија се чува, а афинитет места (или неколико) стереоспецифичних места за лиганд се мења.

На овај начин, кооперативно везивање лиганда слиједи из кооперативне интеракције између подјединица.

КНФ модел

Хипотеза модела КНФ предложила је следеће (Косхланд, Неметхи, Филмер, 1966): Везивање лиганда изазива промену терцијарне структуре у подјединици. Ова промена конформације утиче на суседне подјединице.

Афинитет везивања протеинског лиганда зависи од броја лиганда које држи заједно. Дакле, алостерни протеини имају вишеструка конформациона стања која укључују интермедијарна стања.

Током последњих пет деценија, МВЦ и КНФ модели вредновани су биохемијским и структурним студијама. Показано је да су бројни алостерични протеини, укључујући ензиме, у складу са оним што је предложено у МВЦ моделу, иако постоје изузеци.

МВЦ модел и алостерни ензими (или алостерни регулаторни ензими)

Алостерни ензими су често већи и сложенији од не-алостерних ензима. Аспартат транскарбамилаза (Асп транскарбамилаза или АТЦаза) и фосхофруктокиназа-1 (ПФК-1) су класични примери алостерних ензима који су у складу са МВЦ моделом.

АТ Хоусе оф

АТЦасе катализира прву реакцију пута биосинтезе нуклеотида пиримидина (ЦТП и УТП) и користи Асп као супстрат. Структура АТЦасе састоји се од каталитичке и регулаторне подјединице. АТЦасе има два конформациона стања Р и Т. Симетрија између ових двеју држава је очувана.

Кинетика АТЦазе (почетна брзина АТЦазе са различитим концентрацијама аспартата) карактерише сигмоидна крива. Ово указује да АТЦаса има кооперативно понашање.

АТЦасе је повратна информација инхибирана од стране ЦТП-а. Сигмоидна крива АТЦасе, у присуству ЦТП, налази се десно од сигмоидне криве АТЦасе у одсуству ЦТП. Доказано је повећање вредности константе Мицхаелис-Ментен (К _м ).

То јест, у присуству ЦТП, АТЦасе захтева већу концентрацију аспартата да би достигла половину максималне стопе (В _мак ), у поређењу са АТЦасе у одсуству ЦТП.

Закључно, ЦТП је хетеротропни негативни алостерни ефектор јер смањује афинитет АТЦазе према аспартату. Ово понашање је познато као негативна сарадња.

ПФК - 1

ПФК-1 катализује трећу реакцију пута гликолизе. Ова реакција се састоји од преноса фосфатне групе из АТП у фруктозни 6-фосфат. Структура ПФК-1 је тетрамер који показује два конформациона стања Р и Т. Симетрија између ова два стања је очувана.

Кинетика ПФК-1 (почетна брзина са различитим концентрацијама фруктозе 6-фосфата) показује сигмоидну криву. ПФК-1 подлеже сложеној алостеричној регулацији АТП-ом, АМП-ом и фрутосе-2,6-бисфосфатом, наиме:

Сигмоидна крива ПФК-1, у присуству високе концентрације АТП-а, налази се десно од сигмоидне криве при ниској АТП концентрацији (слика 4). Доказано је повећање вредности константе Мицхаелис-Ментен (К _м ).

У присуству високе концентрације АТП-а, ПФК-1 захтева већу концентрацију фруктозе 6-фосфата да би достигла половину максималне стопе (В _мак ).

Закључно, АТП је, осим што је супстрат, негативан хетеротропни алостерни ефектор, јер смањује афинитет ПФК-1 за фруктозни 6-фосфат.

Сигмоидна крива ПФК-1, у присуству АМП, лежи лево од сигмоидне криве ПФК-1 у присуству АТП-а. Односно, АМП елиминише инхибиторни ефекат АТП-а.

У присуству АМП, ПФК-1 захтева нижу концентрацију фруктозе 6-фосфата да би достигао половину максималне брзине (В _мак ). То се манифестује чињеницом да долази до смањења вредности константе Мицхаелис-Ментен (К _м ).

Закључно, АМП је позитиван хетеротропни алостерни ефектор јер повећава афинитет везања ПФК-1 за фруктозни 6-фосфат. Фрутоза-2,6-бисфосфат (Ф2,6БП) је моћан алостерни активатор ПФК-1 (слика 5), а његово понашање је слично као код АМП.

МВЦ модел је уобичајен, али није универзалан

Од укупних протеинских структура депонованих у ПДБ (Протеин дата банк), половина су олигомери, а друга половина су мономери. Показано је да за кооперативност нису потребни вишеструки лиганди или састављање више подјединица. То је случај са глукокиназом и другим ензимима.

Глукокиназа је мономерна, има полипептидни ланац и показује сигмоидну кинетику као одговор на повећану концентрацију глукозе у крви (Портер и Миллер, 2012; Камата и сар., 2004).

Постоје различити модели који објашњавају кинетику колаборације у мономерним ензимима, а то су: мнемонски модел, модел спорог преласка изазван лигандом, случајно додавање супстрата у биомолекуларним реакцијама, врсте спорих конформацијских промена, између осталог.

Студије структуре глукокиназе подржале су мнемонски модел

Нормална хумана глукокиназа има К _м од 8 мМ за глукозу. Ова вредност је близу концентрације глукозе у крви.

Постоје пацијенти који пате од хиперинзулинемије детињства резистентне на пес (ПХХИ). Глукокиназе ових пацијената има мању К _м за глукозу него нормалне глуцокинасес и кооперативности је значајно смањена.

Због тога ови пацијенти поседују хиперактивну варијанту глукокиназе, која у тешким случајевима може бити фатална.

Примене алостеризма

Алострија и катализа уско су повезани. Због тога алостерични ефекти могу утицати на карактеристике катализе као што су везивање лиганда, ослобађање лиганда.

Алостерична места везивања могу бити мета нових лекова. То је зато што алостерни ефектор може утицати на функцију ензима. Идентификација алостерицних места је први корак у откривању лекова који појацавају функцију ензима.

Референце

1. Цхангеук, ЈП 2012. Алостери и модел Монод-Виман-Цхангеук После 50 година. Годишњи преглед биофизике и биомолекуларне структуре, 41: 103–133.
2. Цхангеук, ЈП 2013. 50 година алостеричних интеракција: преокрети модела. Молекуларна ћелијска биологија, у часопису Натуре, 14: 1–11.
3. Гоодеи, НМ и Бенковиц, СЈ 2008. Аллостерна регулација и катализација настају заједничким путем. Натуре Цхемицал Биологи, 4: 274-482.
4. Камата, К., Митсуиа, М., Нисхимура, Т., Еики, Јун-ицхи, Нагата, И. 2004. Структура, 12: 429–438.
5. Косхланд, ДЕ Јр., Неметхи, Г., Филмер, Д. 1966. Упоређивање података о експерименталном везивању и теоријских модела у протеинима који садрже подјединице. Биохемија, 5: 365-385.
6. Монод, Ј., Виман, Ј., Цхангеук, ЈП 1965. О природи алостерицних транзиција: увјерљив модел. Часопис за молекуларну биологију, 12: 88–118.
7. Нелсон, ДЛ и Цок, ММ, 2008. Лехнингер - Принципи биохемије. ВХ Фрееман анд Цомпани, Нев Иорк.
8. Портер, ЦМ и Миллер, БГ 2012. Сурадња у мономерним ензимима с јединственим мјестима која вежу лиганде. Биоорганска хемија, 43: 44-50.
9. Воет, Д. и Воет, Ј. 2004. Биохемија. Јохн Вилеи анд Сонс, САД.