АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЕ ФЕРМЕНТЫ: ХАРАКТЕРИСТИКА, МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕРЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

Аллостерическая фермента (от греческого: алло, разных музыкальных центров +, трехмерное пространство) представляет собой белка , в котором косвенные взаимодействия происходят между топографический различными сайтами, путем связыванием субстратов и регуляторных молекулами (лигандами).

Связывание лиганда с конкретным сайтом зависит от связывания другого эффекторного лиганда (или модуляторного лиганда) с другим (аллостерическим) сайтом фермента. Это известно как аллостерические взаимодействия или кооперативные взаимодействия.

Пример фермента. Источник: Томас Шафи

Когда эффекторный лиганд увеличивает аффинность связывания другого лиганда с ферментом, кооперативность является положительной. Когда сродство уменьшается, кооперативность отрицательна. Если два идентичных лиганда участвуют в кооперативном взаимодействии, эффект является гомотропным, а если два лиганда различны, эффект является гетеротропным.

Кооперативное взаимодействие вызывает обратимые изменения в молекулярной структуре фермента на уровне третичной и четвертичной структуры. Эти изменения известны как конформационные изменения.

история

Концепция аллостерического взаимодействия возникла более 50 лет назад. Он эволюционировал с течением времени, а именно:

- В 1903 году наблюдалась сигмоидальная кривая связывания гемоглобина с кислородом.

- В 1910 году сигмоидальная кривая связывания O ₂ с гемоглобином была математически описана с помощью уравнения Хилла.

-В 1954 году Новик и Сцилард показали, что фермент, расположенный в начале метаболического пути, ингибируется конечным продуктом этого пути, что известно как отрицательная обратная связь.

- В 1956 году Амбарджер обнаружил, что L-треониндезаминаза, первый фермент пути биосинтеза L-изолейцина, ингибируется L-изолейцином, и что он не проявляет типичной кинетики Михаэлиса-Ментен с гиперболической кривой, скорее у него была сигмоидальная кривая.

-В 1963 году Перуц и др. С помощью рентгеновских лучей обнаружили конформационные изменения в структуре гемоглобина, когда он связывается с кислородом. Моно и Джейкоб переименовали регулирующие сайты в «аллостерические сайты».

- В 1965 году Моно, Вайман и Ченжакс предложили симметричную модель, или модель MWC (начальные буквы Моно, Ваймана и Ченжеукса) для объяснения аллостерических взаимодействий.

-В 1966 году Кошланд, Немети и Филмер предложили модель последовательного или индуцированного взаимодействия, или модель KNF, для объяснения аллостерических взаимодействий.

- В 1988 г. рентгеновская структура аспартат-транскарбамилазы продемонстрировала симметричную модель, постулированную Моно, Вайманом и Ченжаксом.

-В 1990-х годах мутации, ковалентные модификации и изменения pH считались аллостерическими эффекторами.

- В 1996 году рентгеновская структура lac-репрессора продемонстрировала аллостерические переходы.

Механизмы действия и примеры

-Характеристики моделей аллостерической регуляции MWC и KNF

Модель MWC

Исходная гипотеза модели MWC предлагала следующее (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Аллостерические белки - это олигомеры, состоящие из симметрично связанных протомеров. Протомеры состоят из полипептидных цепей или субъединиц.

Олигомеры имеют по крайней мере два конформационных состояния (R и T). Оба состояния (четвертичной структуры) спонтанно устанавливают равновесие со связанным лигандом или без него.

Когда происходит переход из одного состояния в другое, симметрия сохраняется, и сродство сайта (или нескольких) стереоспецифических сайтов к лиганду изменяется.

Таким образом, кооперативное связывание лигандов следует из кооперативного взаимодействия между субъединицами.

Модель KNF

Гипотеза модели KNF предполагает следующее (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Связывание лиганда вызывает изменение третичной структуры в субъединице. Это изменение конформации влияет на соседние субъединицы.

Аффинность связывания белкового лиганда зависит от количества лигандов, которые он удерживает вместе. Таким образом, аллостерические белки имеют несколько конформационных состояний, которые включают промежуточные состояния.

В течение последних пяти десятилетий модели MWC и KNF оценивались посредством биохимических и структурных исследований. Было показано, что многочисленные аллостерические белки, включая ферменты, соответствуют предложению в модели MWC, хотя есть исключения.

Модель MWC и аллостерические ферменты (или аллостерические регуляторные ферменты)

Аллостерические ферменты часто крупнее и сложнее, чем неаллостерические ферменты. Аспартат-транскарбамилаза (Asp-транскарбамилаза или ATCase) и фосфофруктокиназа-1 (PFK-1) являются классическими примерами аллостерических ферментов, которые соответствуют модели MWC.

В Доме

ATCase катализирует первую реакцию пути биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов (CTP и UTP) и использует Asp в качестве субстрата. Структура ATCase состоит из каталитических и регуляторных субъединиц. ATCase имеет два конформационных состояния R и T. Симметрия между этими двумя состояниями сохраняется.

Кинетика ATCase (начальная скорость ATCase с различными концентрациями аспартата) характеризуется сигмовидной кривой. Это означает, что ATCasa ведет себя кооперативно.

ATCase - это обратная связь, подавляемая CTP. Сигмовидная кривая ATCase в присутствии CTP находится справа от сигмовидной кривой ATCase в отсутствие CTP. Отмечено увеличение значения постоянной Михаэлиса-Ментен (K _m ).

То есть, в присутствии CTP, ATCase требует более высокой концентрации аспартата для достижения половины максимальной скорости (V _max ) по сравнению с ATCase в отсутствие CTP.

В заключение, CTP является гетеротропным отрицательным аллостерическим эффектором, поскольку он снижает сродство ATCase к аспартату. Такое поведение известно как отрицательная кооперативность.

ПФК - 1

ПФК-1 катализирует третью реакцию пути гликолиза. Эта реакция заключается в переносе фосфатной группы от АТФ на фруктозо-6-фосфат. Структура PFK-1 представляет собой тетрамер, который проявляет два конформационных состояния R и T. Симметрия между этими двумя состояниями сохраняется.

Кинетика ПФК-1 (начальная скорость с разными концентрациями фруктозо-6-фосфата) имеет сигмовидную кривую. ПФК-1 подвергается сложной аллостерической регуляции АТФ, АМФ и фрутозо-2,6-бисфосфатом, а именно:

Сигмовидная кривая PFK-1 в присутствии высокой концентрации АТФ находится справа от сигмовидной кривой при низкой концентрации АТФ (Рисунок 4). Отмечено увеличение значения постоянной Михаэлиса-Ментен (K _m ).

В присутствии высокой концентрации АТФ, PFK-1 требует более высокой концентрации фруктозо-6-фосфата для достижения половины максимальной скорости (V _max ).

В заключение, АТФ, помимо того, что является субстратом, является отрицательным гетеротропным аллостерическим эффектором, потому что он снижает сродство PFK-1 к фруктозо-6-фосфату.

Сигмовидная кривая PFK-1 в присутствии АМФ находится слева от сигмовидной кривой PFK-1 в присутствии АТФ. То есть АМФ устраняет ингибирующее действие АТФ.

В присутствии AMP, PFK-1 требует более низкой концентрации фруктозо-6-фосфата для достижения половины максимальной скорости (V _max ). Это проявляется в том, что происходит уменьшение значения постоянной Михаэлиса-Ментен (K _m ).

В заключение, АМФ является положительным гетеротропным аллостерическим эффектором, поскольку он увеличивает сродство связывания PFK-1 с фруктозо-6-фосфатом. Фрутоза-2,6-бисфосфат (F2,6BP) является мощным аллостерическим активатором PFK-1 (рис. 5), и его поведение аналогично AMP.

Модель MWC распространена, но не универсальна

Из всех структур белка, депонированных в PDB (банк данных по белкам), половина - олигомеры, а другая половина - мономеры. Было показано, что кооперативность не требует нескольких лигандов или сборки нескольких субъединиц. Так обстоит дело с глюкокиназой и другими ферментами.

Глюкокиназа является мономерной, имеет полипептидную цепь и проявляет сигмоидальную кинетику в ответ на повышенную концентрацию глюкозы в крови (Porter, Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Существуют различные модели, которые объясняют кооперативную кинетику в мономерных ферментах, а именно: мнемоническая модель, модель индуцированного лигандами медленного перехода, случайное добавление субстратов в биомолекулярных реакциях, типы медленных конформационных изменений и другие.

Исследования структуры глюкокиназы подтвердили мнемоническую модель

Нормальная человеческая глюкокиназа имеет K _m для глюкозы 8 мМ. Это значение близко к концентрации глюкозы в крови.

Есть пациенты, страдающие устойчивой к чуме гиперинсулинемией в детстве (PHHI). Глюкокиназа этих пациентов имеет более низкий K _m для глюкозы, чем нормальные глюкокиназы, и кооперативность значительно снижена.

Следовательно, у этих пациентов имеется гиперактивный вариант глюкокиназы, который в тяжелых случаях может быть фатальным.

Приложения аллостеризма

Аллострия и катализ тесно связаны. Из-за этого аллостерические эффекты могут влиять на характеристики катализа, такие как связывание лиганда, высвобождение лиганда.

Сайты аллостерического связывания могут быть мишенями для новых лекарств. Это связано с тем, что аллостерический эффектор может влиять на функцию фермента. Выявление аллостерических сайтов - первый шаг в открытии лекарств, усиливающих функцию ферментов.

Ссылки

1. Changeux, JP 2012. Аллостерия и модель Монода-Ваймана-Ченжо Спустя 50 лет. Ежегодный обзор биофизики и структуры биомолекул, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 лет аллостерических взаимодействий: перипетии моделей. Молекулярная клеточная биология, в Nature Reviews, 14: 1–11.
3. Гуди, Н.М. и Бенкович, С.Дж., 2008. Аллостерическая регуляция и катализ возникают по общему пути. Природа, химическая биология, 4: 274-482.
4. Камата, К., Мицуя, М., Нишимура, Т., Эйки, Джун-ичи, Нагата, Ю. 2004. Структурные основы аллостерической регуляции мономерного аллостерического фермента глюкокиназы человека. Структура, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Сравнение экспериментальных данных связывания и теоретических моделей в белках, содержащих субъединицы. Биохимия, 5: 365-385.
6. Моно, Дж., Вайман, Дж., Ченжакс, Дж. П. 1965. О природе аллостерических переходов: правдоподобная модель. Журнал молекулярной биологии, 12: 88–118.
7. Нельсон, Д.Л. и Кокс, М.М., 2008. Ленингер - Принципы биохимии. WH Freeman and Company, Нью-Йорк.
8. Портер, С.М. и Миллер, Б.Г. 2012. Кооперативность мономерных ферментов с единственными сайтами связывания лиганда. Биоорганическая химия, 43: 44-50.
9. Воет, Д. и Воет, Дж. 2004. Биохимия. Джон Вили и сыновья, США.