ENZIME ALOSTERICE: CARACTERISTICI, MECANISME DE ACȚIUNE, EXEMPLE - BIOLOGIE - 2025

O enzimă alosterică (din greacă: allo, diferite + stereo, spațiu tridimensional) este o proteină în care se produc interacțiuni indirecte între site-uri topografice diferite, prin legarea substraturilor și a moleculelor de reglare (liganzi).

Legarea unui ligand la un situs specific este influențată de legarea unui alt ligand efector (sau ligand modulator) la un alt sit (alosteric) de pe enzimă. Aceasta este cunoscută sub numele de interacțiuni alosterice sau interacțiuni de cooperare.

Exemplu de enzimă. Sursa: Thomas Shafee

Când ligandul efector crește afinitatea de legare a unui alt ligand la enzimă, cooperativitatea este pozitivă. Când afinitatea scade, cooperativitatea este negativă. Dacă doi liganzi identici participă la interacțiunea de cooperare, efectul este homotrop, iar dacă cei doi liganzi sunt diferiți, efectul este heterotrop.

Interacțiunea de cooperare produce schimbări reversibile în structura moleculară a enzimei, la nivel de structură terțiară și cuaternară. Aceste modificări sunt cunoscute sub numele de modificări conformaționale.

Istorie

Conceptul de interacțiune alosterică a apărut în urmă cu mai bine de 50 de ani. A evoluat de-a lungul timpului și anume:

-În 1903, s-a observat curba sigmoidală de legare a hemoglobinei la oxigen.

-În 1910, curba sigmoidală a legării O ₂ la hemoglobină a fost descrisă matematic folosind ecuația lui Hill.

-În 1954, Novick și Szilard au arătat că o enzimă localizată la începutul unei căi metabolice a fost inhibată de produsul final al acestei căi, care este cunoscut drept feedback negativ.

-În 1956, Umbarger a descoperit că L-treonina deaminază, prima enzimă a căii de biosinteză L-izoleucină, a fost inhibată de L-izoleucină și că nu a prezentat cinetica tipică Michaelis-Menten cu o curbă hiperbolică, mai degrabă avea o curbă sigmoidală.

-În 1963, Perutz și colab., Au fost descoperite prin modificări conformaționale ale razelor X în structura hemoglobinei atunci când se leagă de oxigen. Monod și Jacob au redenumit site-urile de reglementare „site-uri alosterice”.

-În 1965, Monod, Wyman și Changeux propun modelul simetric sau modelul MWC (literele inițiale ale lui Monod, Wyman și Changeux) pentru a explica interacțiunile alosterice.

-În 1966, Koshland, Nemethy și Filmer au propus modelul de cuplare secvențial sau indus sau modelul KNF, pentru a explica interacțiunile alosterice.

-În 1988, structura de raze X a transcarbamilazei aspartate a demonstrat modelul simetric postulat de Monod, Wyman și Changeux.

-În anii 1990, mutațiile, modificările covalente și modificările de pH au fost considerate ca efectori alosterici.

-În 1996, structura de raze X a represorului lac a demonstrat tranziții alosterice.

Mecanisme de acțiune și exemple

-Caracteristicile modelelor MWC și KNF ale reglării alosterice

Model MWC

Ipoteza originală a modelului MWC a propus următoarele (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Proteinele alosterice sunt oligomere formate din protomeri simetric legați. Protomerii sunt alcătuiți din lanțuri sau subunități polipeptidice.

Oligomerii au cel puțin două stări de conformare (R și T). Ambele stări (ale structurii cuaternare) stabilesc spontan un echilibru, cu sau fără ligand legat.

Când are loc trecerea de la o stare la alta, simetria este păstrată și afinitatea unui sit (sau a mai multor) site-uri stereospecifice pentru un ligand este modificată.

În acest fel, legarea cooperativă a liganzilor rezultă din interacțiunea cooperativă dintre subunități.

Model KNF

Ipoteza modelului KNF a propus următoarele (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): legarea Ligand produce o schimbare a structurii terțiare într-o subunitate. Această modificare a conformației afectează subunitățile vecine.

Afinitatea de legare a ligandului proteic depinde de numărul de liganzi pe care îi ține împreună. Astfel, proteinele alosterice au stări conformaționale multiple care includ stări intermediare.

În ultimele cinci decenii, modelele MWC și KNF au fost evaluate prin studii biochimice și structurale. S-a demonstrat că numeroase proteine ​​alosterice, inclusiv enzime, respectă ceea ce este propus în modelul MWC, deși există excepții.

Modelul MWC și enzime alosterice (sau enzime regulatoare alosterice)

Enzimele alosterice sunt adesea mai mari și mai complexe decât enzimele non-alosterice. Aspartatul transcarbamilazei (Asp transcarbamilază sau ATCază) și fosfofructocinază-1 (PFK-1) sunt exemple clasice de enzime alosterice care respectă modelul MWC.

AT Casa din

ATCaza catalizează prima reacție a căii de biosinteză a nucleotidelor pirimidine (CTP și UTP) și folosește Asp ca substrat. Structura ATCazei este formată din subunități catalitice și de reglementare. ATCasa are două stări conformaționale R și T. Simetria dintre aceste două stări este conservată.

Cinetica ATCazei (rata inițială a ATCazei cu diferite concentrații de aspartat) este caracterizată printr-o curbă sigmoidă. Aceasta indică faptul că ATCasa are un comportament de cooperare.

ATCase este feedback inhibat de CTP. Curba sigmoidă a ATCazei, în prezența CTP, se află în dreapta curbei sigmoide a ATCazei în absența CTP. Este evidențiată o creștere a valorii constantei Michaelis-Menten (K _m ).

Adică, în prezența CTP, ATCase necesită o concentrație mai mare de aspartat pentru a atinge jumătate din rata maximă (V _max ), comparativ cu ATCase în absența CTP.

În concluzie, CTP este un efect alosteric negativ heterotrop, deoarece scade afinitatea ATCazului pentru aspartat. Acest comportament este cunoscut sub numele de cooperativitate negativă.

PFK - 1

PFK-1 catalizează a treia reacție a căii glicolizei. Această reacție constă în transferul unei grupări fosfat din ATP în fructoza 6-fosfat. Structura PFK-1 este un tetramer, care prezintă două stări conformaționale R și T. Simetria dintre aceste două stări este conservată.

Cinetica PFK-1 (rata inițială cu diferite concentrații de fructoză 6-fosfat) prezintă o curbă sigmoidă. PFK-1 este supus unei reglementări alosterice complexe de către ATP, AMP și frutosa-2,6-bisfosfat, și anume:

Curba sigmoidă a PFK-1, în prezența unei concentrații mari de ATP, se află în dreapta curbei sigmoide la o concentrație scăzută de ATP (figura 4). Este evidențiată o creștere a valorii constantei Michaelis-Menten (K _m ).

În prezența unei concentrații mari de ATP, PFK-1 necesită o concentrație mai mare de fructoză 6-fosfat pentru a atinge jumătate din rata maximă (V _max ).

În concluzie, ATP, pe lângă faptul că este un substrat, este un efect alosteric heterotropic negativ, deoarece scade afinitatea PFK-1 pentru fructoza 6-fosfat.

Curba sigmoidă a PFK-1, în prezența AMP, se află în stânga curbei sigmoide a PFK-1 în prezența ATP. Adică AMP elimină efectul inhibitor al ATP.

În prezența AMP, PFK-1 necesită o concentrație mai mică de fructoză 6-fosfat pentru a atinge jumătate din rata maximă (V _max ). Acest lucru se manifestă prin faptul că există o scădere a valorii constantei Michaelis-Menten (K _m ).

În concluzie, AMP este un efect alosteric heterotropic pozitiv, deoarece crește afinitatea de legare a PFK-1 pentru fructoza 6-fosfat. Frutoza-2,6-bisfosfat (F2,6BP) este un puternic activator alosteric al PFK-1 (Figura 5), ​​iar comportamentul său este similar cu cel al AMP.

Modelul MWC este comun, dar nu universal

Din totalul structurilor proteice depuse în PDB (banca de date proteică), jumătate sunt oligomeri și cealaltă jumătate sunt monomeri. S-a demonstrat că cooperativitatea nu necesită mai mulți liganzi sau asamblarea mai multor subunități. Acesta este cazul glucokinazei și a altor enzime.

Glucokinaza este monomerică, are un lanț polipeptidic și prezintă cinetică sigmoidală ca răspuns la o concentrație crescută de glucoză în sânge (Porter și Miller, 2012; Kamata și colab., 2004).

Există diferite modele care explică cinetica cooperativă în enzimele monomerice și anume: model mnemonic, model de tranziție lentă indusă de ligand, adăugare aleatorie de substraturi în reacții biomoleculare, tipuri de modificări conformaționale lente, printre altele.

Studiile privind structura glucokinazei au susținut modelul mnemonic

Glicokinaza umană normală are K _m de 8 mM pentru glucoză. Această valoare este apropiată de concentrația de glucoză din sânge.

Există pacienți care suferă de hiperinsulinemie rezistentă la pes din copilărie (PHHI). Glucokinaza acestor pacienți are o cantitate mai mică de K _m pentru glucoză decât glucokinazele normale, iar cooperarea este semnificativ redusă.

În consecință, acești pacienți au o variantă de glucokinază care este hiperactivă, care în cazuri grave poate fi fatală.

Aplicații ale alosterismului

Alostria și cataliza sunt strâns legate. Din această cauză, efectele alosterice pot afecta caracteristicile catalizei, cum ar fi legarea ligandului, eliberarea ligandului.

Site-urile de legare alosterice pot fi ținte pentru medicamente noi. Acest lucru se datorează faptului că efectorul alosteric poate influența funcția enzimei. Identificarea siturilor alosterice este primul pas în descoperirea medicamentelor care îmbunătățesc funcția enzimelor.

Referințe

1. Changeux, JP 2012. Allostery și modelul Monod-Wyman-Changeux După 50 de ani. Revizuirea anuală a biofizicii și a structurii biomoleculare, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 de ani de interacțiuni alosterice: răsucirea și întoarcerea modelelor. Biologie moleculară celulară, în Nature Review, 14: 1–11.
3. Goodey, NM și Benkovic, SJ 2008. Reglarea alosterică și cataliza apar pe o cale comună. Biologia chimică a naturii, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Baza structurală pentru reglarea alosterică a enzimei alosterice monomerice glucokinaza umană. Structura, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Comparație de date de legare experimentale și modele teoretice în proteine ​​care conțin subunități. Biochimie, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Cu privire la natura tranzițiilor alosterice: un model plauzibil. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL și Cox, MM, 2008. Lehninger - Principiile biochimiei. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM și Miller, BG 2012. Cooperativitate în enzime monomerice cu situsuri de legare a ligandului unic. Chimie bioorganică, 43: 44-50.
9. Voet, D. și Voet, J. 2004. Biochimie. John Wiley and Sons, SUA.