ALLOSTERIK ENZIMLER: ÖZELLIKLER, ETKI MEKANIZMALARI, ÖRNEKLER - BIYOLOJI - 2025

Bir allosterik bir enzim olan (Yunanca arasından: allo, farklı bir + stereo, üç boyutlu bir alan) dolaylı etkileşimleri substratlar ve düzenleyici moleküller (ligandlar) bağlanması ile, morfolojik olarak farklı yerleri arasında cereyan ettiği bir proteindir.

Bir ligandın belirli bir bölgeye bağlanması, başka bir efektör ligandın (veya modülatör ligandın) enzim üzerindeki farklı (allosterik) bir bölgeye bağlanmasından etkilenir. Bu, allosterik etkileşimler veya işbirlikçi etkileşimler olarak bilinir.

Bir enzim örneği. Kaynak: Thomas Shafee

Efektör ligand, başka bir ligandın enzime bağlanma afinitesini arttırdığında, işbirliği pozitiftir. Afinite azaldığında, işbirliği negatiftir. İşbirlikli etkileşime iki özdeş ligand katılırsa, etki homotropiktir ve iki ligand farklıysa, etki heterotropiktir.

İşbirlikli etkileşim, enzimin moleküler yapısında üçüncül ve dördüncül yapı seviyesinde tersine çevrilebilir değişiklikler üretir. Bu değişiklikler, konformasyonel değişiklikler olarak bilinir.

Tarih

Allosterik etkileşim kavramı 50 yıldan daha uzun bir süre önce ortaya çıktı. Zaman içinde gelişti, yani:

- 1903'te hemoglobinin oksijene bağlanmasının sigmoidal eğrisi gözlendi.

- 1910'da, O _2'nin hemoglobine bağlanmasının sigmoidal eğrisi Hill's denklemi kullanılarak matematiksel olarak tanımlandı.

-1954'te Novick ve Szilard, bir metabolik yolun başlangıcında bulunan bir enzimin, bu yolun son ürünü tarafından engellendiğini gösterdi, bu da negatif geri besleme olarak bilinir.

-1956'da Umbarger, L-izolösin biyosentez yolunun ilk enzimi olan L-treonin deaminazın L-izolösin tarafından engellendiğini ve hiperbolik bir eğri ile tipik Michaelis-Menten kinetiği sergilemediğini keşfetti. bunun yerine sigmoidal bir eğri vardı.

-1963'te Perutz ve ark., Oksijene bağlandığında hemoglobinin yapısındaki konformasyonel değişiklikleri X ışınları yoluyla keşfettiler. Monod ve Jacob, düzenleyici siteleri "allosterik siteler" olarak yeniden adlandırdı.

1965'te Monod, Wyman ve Changeux, allosterik etkileşimleri açıklamak için simetrik modeli veya MWC modelini (Monod, Wyman ve Changeux'un ilk harfleri) önerdi.

1966'da Koshland, Nemethy ve Filmer, allosterik etkileşimleri açıklamak için sıralı veya indüklenmiş birleştirme modelini veya KNF modelini önerdi.

1988'de, aspartat transkarbamilazın X ışını yapısı Monod, Wyman ve Changeux tarafından öne sürülen simetrik modeli gösterdi.

1990'larda, mutasyonlar, kovalent modifikasyonlar ve pH değişiklikleri allosterik efektörler olarak kabul edildi.

-1996 yılında, lak baskılayıcısının X ışını yapısı allosterik geçişler gösterdi.

Etki mekanizmaları ve örnekler

-Allosterik regülasyonun MWC ve KNF modellerinin özellikleri

MWC modeli

MWC modelinin orijinal hipotezi aşağıdakileri önermiştir (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Allosterik proteinler, simetrik olarak ilişkili protomerlerden oluşan oligomerlerdir. Protomerler, polipeptit zincirlerinden veya alt birimlerinden oluşur.

Oligomerler en az iki konformasyon durumuna (R ve T) sahiptir. Her iki durum (kuaterner yapının) spontane olarak, bağlı ligand ile veya onsuz bir denge kurar.

Bir durumdan diğerine geçiş gerçekleştiğinde, simetri korunur ve bir ligand için bir sitenin (veya birkaç) stereospesifik bölgenin afinitesi değiştirilir.

Bu şekilde, ligandların işbirlikli bağlanması, alt birimler arasındaki işbirlikli etkileşimden kaynaklanır.

KNF modeli

KNF modeli hipotezi aşağıdakileri önermektedir (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Ligand bağlanması, bir alt birimdeki üçüncül yapıda bir değişiklik üretir. Konformasyondaki bu değişiklik, komşu alt birimleri etkiler.

Protein ligandının bağlanma afinitesi, bir arada tuttuğu ligandların sayısına bağlıdır. Bu nedenle, allosterik proteinler, ara durumları içeren çok sayıda konformasyonel duruma sahiptir.

Son elli yılda, MWC ve KNF modelleri biyokimyasal ve yapısal çalışmalar yoluyla değerlendirildi. Enzimler de dahil olmak üzere çok sayıda allosterik proteinin, istisnalar olmasına rağmen MWC modelinde önerilenlerle uyumlu olduğu gösterilmiştir.

MWC modeli ve allosterik enzimler (veya allosterik düzenleyici enzimler)

Allosterik enzimler, allosterik olmayan enzimlerden genellikle daha büyük ve daha karmaşıktır. Aspartat transkarbamilaz (Asp transkarbamilaz veya ATCase) ve fosfofruktokinaz-1 (PFK-1), MWC modeline uyan allosterik enzimlerin klasik örnekleridir.

AT Evi

ATCase, pirimidin nükleotid biyosentez yolunun (CTP ve UTP) ilk reaksiyonunu katalize eder ve bir substrat olarak Asp'yi kullanır. ATCase'in yapısı katalitik ve düzenleyici alt birimlerden oluşur. ATCase'de iki yapısal durum R ve T vardır. Bu iki durum arasındaki simetri korunur.

ATCase kinetiği (farklı aspartat konsantrasyonlarına sahip ATCase'in başlangıç ​​hızı) bir sigmoid eğri ile karakterize edilir. Bu, ATCasa'nın işbirlikçi bir davranışa sahip olduğunu gösterir.

ATCase, CTP tarafından engellenen geribildirimdir. ATCase'in sigmoid eğrisi, CTP varlığında, CTP yokluğunda ATCase'nin sigmoid eğrisinin sağındadır. Michaelis-Menten sabitinin (K _m ) değerinde bir artış olduğu kanıtlanmıştır .

Yani, CTP varlığında, ATCase , CTP yokluğunda ATCase ile karşılaştırıldığında maksimum hızın yarısına ( _Vmax ) ulaşmak için daha yüksek konsantrasyonda aspartat gerektirir .

Sonuç olarak, CTP, aspartat için ATCase'in afinitesini azalttığı için heterotropik bir negatif allosterik efektördür. Bu davranış, olumsuz işbirliği olarak bilinir.

PFK - 1

PFK-1, glikoliz yolağının üçüncü reaksiyonunu katalize eder. Bu reaksiyon, bir fosfat grubunun ATP'den fruktoz 6-fosfata transferinden oluşur. PFK-1'in yapısı, iki yapısal durum R ve T sergileyen bir tetramerdir. Bu iki durum arasındaki simetri korunur.

PFK-1'in kinetiği (farklı fruktoz 6-fosfat konsantrasyonları ile başlangıç ​​hızı) bir sigmoid eğrisi sergiler. PFK-1, ATP, AMP ve frutoz-2,6-bifosfat tarafından kompleks allosterik düzenlemeye tabidir, yani:

PFK-1'in sigmoid eğrisi, yüksek ATP konsantrasyonunun varlığında, düşük ATP konsantrasyonunda sigmoid eğrisinin sağındadır (Şekil 4). Michaelis-Menten sabitinin (K _m ) değerinde bir artış olduğu kanıtlanmıştır .

Yüksek ATP konsantrasyonunun varlığında, PFK-1, maksimum hızın yarısına ( _Vmax ) ulaşmak için daha yüksek bir fruktoz 6-fosfat konsantrasyonu gerektirir .

Sonuç olarak, ATP, bir substrat olmasının yanı sıra, negatif bir heterotropik allosterik efektördür çünkü PFK-1'in fruktoz 6-fosfat için afinitesini azaltır.

AMP varlığında PFK-1'in sigmoid eğrisi, ATP varlığında PFK-1'in sigmoid eğrisinin solunda yer alır. Yani AMP, ATP'nin inhibe edici etkisini ortadan kaldırır.

AMP varlığında, PFK-1, maksimum hızın yarısına ( _Vmax ) ulaşmak için daha düşük bir fruktoz 6-fosfat konsantrasyonu gerektirir . Bu, Michaelis-Menten sabitinin (K _m ) değerinde bir azalma olduğu gerçeğinde ortaya çıkar .

Sonuç olarak, AMP pozitif bir heterotropik allosterik efektördür çünkü PFK-1'in fruktoz 6-fosfat için bağlanma afinitesini arttırır. Frutose-2,6-bisphosphate (F2,6BP), PFK-1'in güçlü bir allosterik aktivatörüdür (Şekil 5) ve davranışı AMP'ninkine benzer.

MWC modeli yaygındır, ancak evrensel değildir

PDB'de (Protein veri bankası) depolanan toplam protein yapılarının yarısı oligomerlerdir ve diğer yarısı monomerlerdir. İşbirliğinin birden fazla ligand veya birden çok alt birimin bir araya getirilmesini gerektirmediği gösterilmiştir. Bu, glukokinaz ve diğer enzimler için geçerlidir.

Glukokinaz monomeriktir, bir polipeptit zincirine sahiptir ve artan kan glukoz konsantrasyonuna yanıt olarak sigmoidal kinetik sergiler (Porter ve Miller, 2012; Kamata ve diğerleri, 2004).

Monomerik enzimlerde işbirlikçi kinetiği açıklayan farklı modeller vardır, yani: anımsatıcı model, ligandla indüklenen yavaş geçiş modeli, biyomoleküler reaksiyonlarda substratların rastgele eklenmesi, yavaş konformasyonel değişiklik türleri ve diğerleri.

Glukokinaz yapısının çalışmaları, anımsatıcı modeli desteklemiştir.

Normal insan glukokinaz K sahip _m glikoz 8 mM. Bu değer kan şekeri konsantrasyonuna yakındır.

Çocukluk çağında pes dirençli hiperinsülinemiden (PHHI) muzdarip hastalar vardır. Bu hastaların glukokinaz daha düşük bir K sahip _m , normal glucokinases daha glikoz için ve kooperativiteye önemli ölçüde azalır.

Sonuç olarak, bu hastalar hiperaktif olan ve ciddi vakalarda ölümcül olabilen bir glukokinaz varyantına sahiptir.

Allosterizm uygulamaları

Alaşım ve kataliz birbiriyle yakından bağlantılıdır. Bu nedenle allosterik etkiler, ligand bağlanması, ligand salımı gibi kataliz özelliklerini etkileyebilir.

Allosterik bağlanma siteleri yeni ilaçlar için hedef olabilir. Bunun nedeni, allosterik efektörün enzimin işlevini etkileyebilmesidir. Allosterik bölgelerin tanımlanması, enzim işlevini artıran ilaçların keşfinde ilk adımdır.

Referanslar

1. Changeux, JP 2012. Allostery ve Monod-Wyman-Changeux modeli 50 yıl sonra. Biyofizik ve Biyomoleküler Yapının Yıllık İncelemesi, 41: 103-133.
2. Changeux, JP 2013. 50 yıllık allosterik etkileşimler: modellerin kıvrımları ve dönüşleri. Molecular Cell Biology, in Nature Reviews, 14: 1–11.
3. Goodey, NM ve Benkovic, SJ 2008. Allosterik düzenleme ve kataliz ortak bir yoldan ortaya çıkar. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Monomerik allosterik enzim insan glukokinazının allosterik regülasyonu için yapısal temel. Yapı, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Alt birimler içeren proteinlerde deneysel bağlanma verilerinin ve teorik modellerin karşılaştırılması. Biyokimya, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Allosterik geçişlerin doğası üzerine: makul bir model. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL ve Cox, MM, 2008. Lehninger - Biyokimyanın İlkeleri. WH Freeman ve Şirketi, New York.
8. Porter, CM ve Miller, BG 2012. Tek ligand bağlama bölgeleri ile monomerik enzimlerde işbirliği. Bioorganic Chemistry, 43: 44-50.
9. Voet, D. ve Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley and Sons, ABD.