אנזימים אלוסטריים: מאפיינים, מנגנוני פעולה, דוגמאות - ביולוגיה - 2025

אנזים האלוסטריים (מיוונית: Allo, מערכות סטריאו + שונות, במרחב התל-ממדי) הוא חלבון שבו אינטראקציות עקיפות להתרחש בין אתרים שונים הטופוגרפי, על ידי הקשירה של מצעים ומולקולות רגולטוריות (הליגנדים).

קשירת ליגנד לאתר ספציפי מושפעת מהכריכה של ליגנד אפקטור אחר (או ליגנד אפנון) לאתר אחר (אלוסטרי) באנזים. זה ידוע בשם אינטראקציות אלסטרואליות, או אינטראקציות שיתופיות.

דוגמה לאנזים. מקור: תומאס שייפי

כאשר ליגנד האפקטור מגביר את הזיקה הקשורה של ליגנד אחר לאנזים, שיתוף הפעולה הוא חיובי. כאשר הזיקה פוחתת, שיתוף הפעולה שלילי. אם שני ליגנדים זהים משתתפים באינטראקציה השיתופית, ההשפעה הומוטרופית, ואם שני הליגנדים שונים זה מזה ההשפעה הטרוטרופית.

אינטראקציה שיתופית מייצרת שינויים הפיכים במבנה המולקולרי של האנזים, ברמת המבנה השלישוני והרבעוני. שינויים אלה ידועים כשינויים בקונפורמציה.

הִיסטוֹרִיָה

הרעיון של אינטראקציה אלסטרואלית הופיע לפני יותר מחמישים שנה. זה התפתח לאורך זמן, כלומר:

בשנת 1903 נצפתה עקומת הסיגמואידלי של קשירת המוגלובין לחמצן.

בשנת 1910 תואר העקומה הסיגמואידית של O ₂ הקשירה להמוגלובין באמצעות מתמטיקה של היל.

בשנת 1954 הראו נוביק וסילארד כי אנזים שנמצא בתחילת מסלול מטבולי מעכב על ידי התוצר הסופי של מסלול זה, המכונה משוב שלילי.

בשנת 1956 גילה אומברגר כי L-threonine deaminase, האנזים הראשון בנתיב הביוסינתזה של ה- L-isoleucine, עוצר על ידי L-Isoleucine, וכי הוא לא הציג קיננטיקה טיפוסית של Michaelis-Menten עם עקומה היפרבולית, אלא שהיה לו עקומה sigmoidal.

בשנת 1963, פרוץ ואח ', גילו באמצעות קרני רנטגן שינויים קונפורמטיביים במבנה ההמוגלובין כאשר הוא נקשר לחמצן. מונוד ויעקב שמו את שמם של אתרי הרגולציה ל"אתרים אלסטרואיסטיים ".

בשנת 1965 הציעו מונוד, ווימן ושינויux את המודל הסימטרי, או את מודל ה- MWC (אותיות ראשוניות של מונוד, ווימן ושינויקס) כדי להסביר אינטראקציות אלסטרואליות.

בשנת 1966, Koshland, Nemethy and Filmer הציעו את מודל הצימוד הרצף או המושרה, או את מודל KNF, כדי להסביר אינטראקציות אלסטרואליות.

בשנת 1988, מבנה הרנטגן של טרנסקרבמילאז אספרטט הדגים את המודל הסימטרי שהונחו על ידי מונוד, ווימן ושינוי.

בשנות התשעים של המאה ה -20 נחשבו מוטציות, שינויים קוולנטיים ושינויי pH כגורמים אלסטרואיסטיים.

-בשנת 1996, מבנה הרנטגן של מדכא lac הדגים מעברים אלוסטריים.

מנגנוני פעולה ודוגמאות

מאפייני מודלי MWC ו- KNF של ויסות אלסטרואי

דגם MWC

ההשערה המקורית של מודל MWC הציעה את הדברים הבאים (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

חלבונים אלסטרוסטיים הם אוליגומרים המורכבים מפרוטומרים הקשורים באופן סימטרי. פרוטומרים מורכבים משרשראות או יחידות משנה של פוליפפטיד.

לאוליגומרים לפחות שני מצבי קונפורמציה (R ו- T). שתי המצבים (של המבנה הרבעוני) מייצרים באופן ספונטני שיווי משקל, עם או בלי ליגנד כבול.

כאשר המעבר ממצב למצב אחר מתרחש, נשמרת סימטריה, והזיקה של אתרים (או כמה) אתרים סטראוספציפיים לליגנד משתנה.

בדרך זו, הקשר הקואופרטיבי של הליגנדים נובע מהאינטראקציה השיתופית בין יחידות משנה.

דגם KNF

השערת מודל KNF הציעה את הדברים הבאים (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): כריכת ליגנד מייצרת שינוי במבנה השלישוני בתת-יחידה. שינוי קונפורמציה זה משפיע על יחידות משנה שכנות.

הזיקה הקשורה של ליגנד החלבון תלויה במספר הליגנדים שהוא מחזיק יחד. לפיכך, לחלבונים האלסטרסטריים מצבים קונפורמטיביים מרובים הכוללים מצבי ביניים.

במהלך חמשת העשורים האחרונים, מודלים של MWC ו- KNF הוערכו באמצעות מחקרים ביוכימיים ומבניים. הוכח כי מספר רב של חלבונים אלוסטריים, כולל אנזימים, תואמים את מה שמוצע במודל MWC, אם כי ישנם יוצאים מן הכלל.

מודל ה- MWC והאנזימים האלוסטריים (או אנזימים רגולטוריים אלוסטריים)

אנזימים אלוסטריים הם לרוב גדולים ומורכבים יותר מאשר אנזימים שאינם אלוסטריים. טרנסקרבמילאז אספרטט (Asp transcarbamylase או ATCase) ו- phosphofructokinase-1 (PFK-1) הם דוגמאות קלאסיות לאנזימים אלוסטריים העומדים בדגם MWC.

בבית של

ATCase מזרז את התגובה הראשונה של מסלול הביוסינתזה של נוקליאוטידים נוקליאוטידים (CTP ו- UTP) ומשתמש ב- Asp כמצע. מבנה ATCase מורכב מיחידות משנה קטליטיות ורגולטוריות. ל- ATCase שני מצבים קונפורמציה R ו- T. הסימטריה בין שני מצבים אלה נשמרת.

הקינטיקה של ATCase (השיעור ההתחלתי של ATCase עם ריכוזים שונים של אספרטט) מאופיינת בעקומת sigmoid. זה מצביע על כך של- ATCasa יש התנהגות שיתופית.

ATCase מעכב משוב על ידי CTP. עקומת הסיגמואיד של ATCase, בנוכחות CTP, נמצאת מימין לעקומת הסיגמואיד של ATCase בהיעדר CTP. ניתן לראות עלייה בערך קבוע מיכאליס-מנטן (K _m ).

כלומר בנוכחות CTP, ATCase דורש ריכוז גבוה יותר של אספרטט בכדי להגיע למחצית מהקצב המקסימלי (V _max ), בהשוואה ל- ATCase בהיעדר CTP.

לסיכום, CTP הוא אפקט אלסטרוסטרי שלילי הטרוטרופי מכיוון שהוא מקטין את הזיקה של ATCase לאספרטט. התנהגות זו מכונה שיתוף פעולה שלילי.

PFK - 1

PFK-1 מזרז את התגובה השלישית של מסלול הגליקוליזה. תגובה זו מורכבת מהעברת קבוצת פוספטים מ- ATP לפרוקטוז 6-פוספט. המבנה של PFK-1 הוא tetramer, המציג שני מצבים קונפורמציונליים R ו- T. הסימטריה בין שני מצבים אלה נשמרת.

הקינטיקה של PFK-1 (השיעור ההתחלתי בריכוזים שונים של פרוקטוז 6-פוספט) מציגה עקומת sigmoid. PFK-1 כפוף לוויסות אלסטרואליות מורכבות על ידי ATP, AMP ו- frutose-2,6-bisphosphate, כלומר:

עקומת הסיגמואיד של PFK-1, בנוכחות ריכוז גבוה של ATP, נמצאת מימין לעקמת הסיגמואיד בריכוז נמוך של ATP (איור 4). ניתן לראות עלייה בערך קבוע מיכאליס-מנטן (K _m ).

בנוכחות ריכוז גבוה של ATP, PFK-1 דורש ריכוז גבוה יותר של פרוקטוז 6-פוספט כדי להגיע למחצית מהקצב המקסימאלי (V _מקס ).

לסיכום, ATP, בנוסף להיותו מצע, הוא אפקט אלוסטררי הטרוטרופי שלילי מכיוון שהוא מקטין את הזיקה של PFK-1 לפרוקטוז 6-פוספט.

עקומת הסיגמואיד של PFK-1, בנוכחות AMP, נמצאת משמאל לעיקול הסיגמואיד של PFK-1 בנוכחות ATP. כלומר, AMP מבטל את ההשפעה המעכבת של ATP.

בנוכחות AMP, PFK-1 דורש ריכוז נמוך יותר של פרוקטוז 6-פוספט כדי להגיע למחצית מהקצב המקסימלי (V _מקס ). זה בא לידי ביטוי בעובדה שיש ירידה בערך של קבוע Michaelis-Menten (K _m ).

לסיכום, AMP הוא אפקט אלסטרוסטרי הטרוטרופי חיובי מכיוון שהוא מגביר את הזיקה המחייבת של PFK-1 לפרוקטוז 6-פוספט. Frutose-2,6-bisphosphate (F2,6BP) הוא מפעיל אלוסטררי חזק של PFK-1 (איור 5), והתנהגותו דומה להתנהגות של AMP.

מודל MWC נפוץ, אך אינו אוניברסאלי

מכלל מבני החלבון שהופקדו ב- PDB (בנק נתונים לחלבון), המחצית הם אוליגומרים והמחצית השנייה מונומרים. הוכח כי שיתוף פעולה אינו דורש ליגנדים מרובים, או הרכבה של יחידות משנה מרובות. זה המקרה לגבי גלוקוקינאז ואנזימים אחרים.

הגלוקוקינאז הוא מונומרי, הוא בעל שרשרת פוליפפטיד ומציג קינטיקה sigmoidal בתגובה לעלייה בריכוז הגלוקוז בדם (Porter and Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

ישנם מודלים שונים המסבירים קינטיקה שיתופית באנזימים מונומרים, כלומר: מודל ממנומוני, מודל מעבר איטי הנגרם על ידי ליגנד, תוספת אקראית של מצעים בתגובות ביו-מולקולריות, סוגים של שינויים בקונפורמציה איטית, בין היתר.

מחקרים על מבנה הגלוקוקינאז תמכו במודל המנומוני

לגלוקוקינאז אנושי רגיל יש K _m של 8 mM לגלוקוז. ערך זה קרוב לריכוז הגלוקוז בדם.

ישנם חולים הסובלים מהיפראינסולינמיה עמידה ל- pes בילדות (PHHI). לגלוקוקינאז של חולים אלה יש K _m נמוך יותר לגלוקוז מאשר גלוקוקינאזות רגילים, ושיתופי הפעולה מופחתים משמעותית.

כתוצאה מכך, חולים אלו מחזיקים בגרסה גלוקוקינזית שהיא היפראקטיבית, אשר במקרים חמורים יכולה להיות קטלנית.

יישומים של אלוסטרליזם

קרסול קטליזה קשורים קשר הדוק. מסיבה זו, השפעות אלסטרואליות יכולות להשפיע על מאפייני קטליזה כמו קשירת ליגנד, שחרור ליגנד.

אתרי כריכה אלוסטריים עשויים להוות יעדים לתרופות חדשות. הסיבה לכך היא שהאפקטור האלסטרואיסטי יכול להשפיע על תפקוד האנזים. זיהוי אתרים אלוסטריים הוא הצעד הראשון בגילוי תרופות המשפרות את תפקוד האנזים.

הפניות

1. Changeux, JP 2012. Allostery ודגם Monod-Wyman-Changeux אחרי 50 שנה. סקירה שנתית של ביופיזיקה ומבנה ביו-מולקולרי, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 שנה של אינטראקציות אלסטרואליות: פיתולי הדגמים. ביולוגיה מולקולרית של תאים, בסקירות טבע, 14: 1–11.
3. Goodey, NM ו- Benkovic, SJ 2008. ויסות אלסטרואלי וקטליזה מתרחשים בדרך נפוצה. ביולוגיה כימית טבעית, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. בסיס מבני לוויסות אלוסטרי של האנזים האלומרוסטרי המונומר גלוקוקינאז אנושי. מבנה, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. השוואה בין נתונים קשרי ניסוי ומודלים תיאורטיים בחלבונים המכילים יחידות משנה. ביוכימיה, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. על טבעם של מעברים אלוסטריים: מודל מתקבל על הדעת. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. נלסון, DL וקוקס, MM, 2008. להינגר - עקרונות ביוכימיה. WH פרימן וחברה, ניו יורק.
8. פורטר, CM ומילר, BG 2012. שיתוף פעולה באנזימים מונומרים עם אתרים קשורים ליגנד יחיד. כימיה ביו-אורגנית, 43: 44-50.
9. Voet, D. ו- Voet, J. 2004. Biochemistry. ג'ון וויילי ובניו, ארה"ב.