ALLOSTERIC ENZYMES: MGA KATANGIAN, MEKANISMO NG PAGKILOS, MGA HALIMBAWA - BIOLOGY - 2026

Ang isang allosteric enzyme (mula sa Greek: allo, iba't ibang + stereos, three-dimensional space) ay isang protina kung saan ang hindi direktang pakikipag-ugnay ay nagaganap sa pagitan ng mga topograpikal na magkakaibang mga site, sa pamamagitan ng pagbubuklod ng mga substrate at mga molekulang pang-regulasyon (ligand).

Ang pagbubuklod ng isang ligand sa isang tiyak na site ay naiimpluwensyahan ng pagbubuklod ng isa pang effector ligand (o modulator ligand) sa ibang (allosteric) na site sa enzyme. Ito ay kilala bilang mga allosteric na pakikipag-ugnay, o pakikipag-ugnay ng kooperatiba.

Halimbawa ng isang enzyme. Pinagmulan: Thomas Shafee

Kapag pinatataas ng effector ligand ang nagbubuklod na kaakibat ng isa pang ligand sa enzyme, ang kooperatiba ay positibo. Kapag bumaba ang kaakibat, negatibo ang pakikipagtulungan. Kung ang dalawang magkaparehong mga ligand ay nakikilahok sa pakikipag-ugnay ng kooperatiba, ang epekto ay homotropic, at kung ang dalawang liga ay magkakaiba, ang epekto ay heterotropic.

Ang pakikipag-ugnay sa kooperatiba ay gumagawa ng mga mababalik na pagbabago sa molekular na istruktura ng enzyme, sa antas ng istruktura ng tersiyaryo at quaternary. Ang mga pagbabagong ito ay kilala bilang mga pagbabago sa conformational.

Kasaysayan

Ang konsepto ng allosteric interaction lumitaw higit sa 50 taon na ang nakalilipas. Ito ay nagbago sa pamamagitan ng oras, lalo na:

-Noong 1903, ang curmoidal curve ng nagbubuklod ng hemoglobin sa oxygen ay sinusunod.

-Noong 1910, ang sigmoidal curve ng O _{2 na} nagbubuklod sa hemoglobin ay inilarawan sa matematika gamit ang equation ng Hill.

-Noong 1954, ipinakita nina Novick at Szilard na ang isang enzyme na matatagpuan sa simula ng isang metabolic pathway ay hinarang ng pagtatapos ng produkto ng daang ito, na kilala bilang negatibong feedback.

-Noong 1956, natuklasan ni Umbarger na ang L-threonine deaminase, ang unang enzyme ng L-isoleucine biosynthesis pathway, ay hinarang ng L-isoleucine, at na hindi ito nagpakita ng karaniwang mga Michaelis-Menten kinetics na may isang hyperbolic curve. sa halip ito ay may isang sigmoidal curve.

-Noong 1963, ang Perutz et al., Natuklasan sa pamamagitan ng X-ray conformational na pagbabago sa istruktura ng hemoglobin kapag ito ay nagbubuklod sa oxygen. Pinangalanan nina Monod at Jacob ang mga site ng regulasyon na "allosteric sites."

-Noong 1965, iminungkahi ng Monod, Wyman at Changeux ang simetriko na modelo, o modelo ng MWC (paunang mga titik ng Monod, Wyman at Changeux) upang ipaliwanag ang mga pakikipag-ugnay sa allosteric.

-Noong 1966, iminungkahi ni Koshland, Nemethy at Filmer ang sunud-sunod o sapilitan na modelo ng pagkabit, o modelo ng KNF, upang ipaliwanag ang mga nakakaugnay na pakikipag-ugnayan.

-Noong 1988, ipinakita ng X-ray na istraktura ng aspartate transcarbamylase ang simetriko na naka-post ng Monod, Wyman at Changeux.

-Noong mga 1990, ang mga mutasyon, pagbabago ng covalent at mga pagbabago sa pH ay itinuturing na mga allosteric effects.

-Noong 1996, ang X-ray na istraktura ng lac repressor ay nagpakita ng mga allosteric transitions.

Mga mekanismo ng pagkilos at halimbawa

-Mga katangian ng MWC at mga modelo ng KNF ng allosteric regulation

Modelo ng MWC

Ang orihinal na hypothesis ng MWC model na iminungkahi ang mga sumusunod (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Ang mga Allosteric protein ay oligomer na binubuo ng mga simtomatikong may kaugnayan na protomer. Ang mga protomer ay binubuo ng mga polypeptide chain o subunits.

Ang mga oligomer ay may hindi bababa sa dalawang estado ng pagbabagong-anyo (R at T). Ang parehong mga estado (ng istraktura ng quaternary) ay kusang nagtatag ng isang balanse, na may o nang walang nakatali na ligand.

Kapag ang paglipat mula sa isang estado patungo sa isa pang nangyayari, ang simetrya ay napanatili, at ang pagkakaugnay ng isang site (o maraming) mga site ng stereospecific para sa isang ligand ay binago.

Sa ganitong paraan, ang pagbubuklod ng kooperatiba ng mga ligand ay sumusunod mula sa pakikipag-ugnay ng kooperasyon sa pagitan ng mga subunits.

Modelo ng KNF

Ang panukalang modelo ng KNF na iminungkahi ang sumusunod (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Ang pagbubuklod ng Ligand ay gumagawa ng pagbabago sa istrukturang tersiyaryo sa isang subunit. Ang pagbabagong ito sa pagbabago ay nakakaapekto sa mga kalapit na subunit.

Ang nagbubuklod na pagkakaugnay ng protina ligand ay nakasalalay sa bilang ng mga liga na hawak nito nang magkasama. Kaya, ang mga allosteric protein ay may maraming mga estado ng conformational na kinabibilangan ng mga gitnang estado.

Sa huling limang dekada, ang mga modelo ng MWC at KNF ay nasuri sa pamamagitan ng pag-aaral ng biochemical at istruktura. Ipinakita na maraming mga allosteric protein, kabilang ang mga enzymes, na sumunod sa ipinanukalang sa MWC model, bagaman mayroong mga eksepsiyon.

Ang modelo ng MWC at allosteric enzymes (o allosteric regulatory enzymes)

Ang mga allosteric enzymes ay madalas na mas malaki at mas kumplikado kaysa sa mga hindi allosteric enzymes. Ang Aspartate transcarbamylase (Asp transcarbamylase o ATCase) at phosphofructokinase-1 (PFK-1) ay mga klasikong halimbawa ng allosteric enzymes na sumusunod sa modelo ng MWC.

Sa Bahay ng

Ang ATCase ay catalyzes ang unang reaksyon ng pyrimidine nucleotide biosynthesis pathway (CTP at UTP) at gumagamit ng Asp bilang isang substrate. Ang istraktura ng ATCase ay binubuo ng mga catalytic at regulate subunits. Ang ATCase ay may dalawang estado na conformational R at T. Ang simetrya sa pagitan ng dalawang estado na ito ay natipid.

Ang kinetics ng ATCase (ang paunang rate ng ATCase na may iba't ibang mga konsentrasyon ng aspartate) ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang sigmoid curve. Ipinapahiwatig nito na ang ATCasa ay may pag-uugali ng kooperatiba.

Ang ATCase ay feedback na hinarang ng CTP. Ang curmoid curve ng ATCase, sa pagkakaroon ng CTP, ay nasa kanan ng sigmoid curve ng ATCase sa kawalan ng CTP. Ang isang pagtaas ng halaga ng Michaelis-Menten pare-pareho (K _m ) ay napatunayan .

Iyon ay, sa pagkakaroon ng CTP, ang ATCase ay nangangailangan ng isang mas mataas na konsentrasyon ng aspartate upang maabot ang kalahati ng maximum na rate (V _max ), kumpara sa ATCase sa kawalan ng CTP.

Sa konklusyon, ang CTP ay isang heterotropic negatibong allosteric effector dahil binabawasan nito ang pagkakaugnay ng ATCase para sa aspartate. Ang pag-uugali na ito ay kilala bilang negatibong kooperasyon.

PFK - 1

Ang PFK-1 catalyzes ang ikatlong reaksyon ng glycolysis pathway. Ang reaksyon na ito ay binubuo ng paglipat ng isang grupo ng pospeyt mula sa ATP sa fructose 6-pospeyt. Ang istraktura ng PFK-1 ay isang tetramer, na nagpapakita ng dalawang estado na conformational R at T. Ang simetrya sa pagitan ng dalawang estado na ito ay na-conserve.

Ang kinetics ng PFK-1 (ang paunang rate na may iba't ibang mga konsentrasyon ng fructose 6-phosphate) ay nagpapakita ng isang sigmoid curve. Ang PFK-1 ay napapailalim sa kumplikadong all regulasyong regulasyon ng ATP, AMP at frutose-2,6-bisphosphate, namely:

Ang curmoid curve ng PFK-1, sa pagkakaroon ng isang mataas na konsentrasyon ng ATP, ay nasa kanan ng curmo ng sigmoid sa isang mababang konsentrasyon ng ATP (Larawan 4). Ang isang pagtaas ng halaga ng Michaelis-Menten pare-pareho (K _m ) ay napatunayan .

Sa pagkakaroon ng isang mataas na konsentrasyon ng ATP, ang PFK-1 ay nangangailangan ng isang mas mataas na konsentrasyon ng fructose 6-phosphate upang maabot ang kalahati ng maximum na rate (V _max ).

Sa konklusyon, ang ATP, bilang karagdagan sa pagiging isang substrate, ay isang negatibong heterotropic allosteric effector dahil binabawasan nito ang pagkakaugnay ng PFK-1 para sa fructose 6-phosphate.

Ang sigmoid curve ng PFK-1, sa pagkakaroon ng AMP, ay matatagpuan sa kaliwa ng sigmoid curve ng PFK-1 sa pagkakaroon ng ATP. Iyon ay, tinatanggal ng AMP ang inhibitory effects ng ATP.

Sa pagkakaroon ng AMP, ang PFK-1 ay nangangailangan ng isang mas mababang konsentrasyon ng fructose 6-phosphate upang maabot ang kalahati ng maximum na rate (V _max ). Ito ay ipinahayag sa katotohanan na mayroong pagbawas sa halaga ng Michaelis-Menten pare-pareho (K _m ).

Sa konklusyon, ang AMP ay isang positibong heterotropic allosteric effector dahil pinatataas nito ang nagbubuklod na pagkakaugnay ng PFK-1 para sa fructose 6-phosphate. Ang Frutose-2,6-bisphosphate (F2,6BP) ay isang makapangyarihang allosteric activator ng PFK-1 (Larawan 5), at ang pag-uugali nito ay katulad ng sa AMP.

Ang modelo ng MWC ay pangkaraniwan, ngunit hindi unibersal

Sa kabuuang istruktura ng protina na idineposito sa PDB (Protein data bank), ang kalahati ay mga oligomer at ang iba pang kalahati ay mga monomer. Ipinakita na ang pakikipagtulungan ay hindi nangangailangan ng maraming mga ligand, o ang pagpupulong ng maraming mga subunits. Ito ang kaso para sa glucokinase at iba pang mga enzymes.

Ang Glucokinase ay monomeric, may isang polypeptide chain, at nagpapakita ng mga sigmoidal kinetics bilang tugon sa nadagdagan na glucose ng glucose sa dugo (Porter at Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Mayroong iba't ibang mga modelo na nagpapaliwanag ng mga kooperatiba ng mga maketics sa monomeric enzymes, lalo na: modelo ng mnemonic, modelo ng ligand-sapilitan na mabagal na paglipat ng modelo, random na pagdaragdag ng mga substrate sa mga reaksyon ng biomolecular, mga uri ng mabagal na pagbabagong pagsasaayos, bukod sa iba pa.

Ang mga pag-aaral ng istraktura ng glucokinase ay suportado ang modelo ng mnemonic

Ang normal na tao ng glucokinase ay may K _m na 8 mM para sa glucose. Ang halagang ito ay malapit sa konsentrasyon ng glucose sa dugo.

Mayroong mga pasyente na nagdurusa sa pes-resistant hyperinsulinemia ng pagkabata (PHHI). Ang glucokinase ng mga pasyente na ito ay may isang mas mababang K _m para sa glucose kaysa sa normal na glucokinases, at ang kooperatiba ay makabuluhang nabawasan.

Dahil dito, ang mga pasyente na ito ay nagtataglay ng isang variant ng glucokinase na hyperactive, na sa malubhang mga kaso ay maaaring nakamamatay.

Mga aplikasyon ng allosterism

Ang Allostry at catalysis ay malapit na nauugnay. Dahil dito, ang mga allosteric effects ay maaaring makaapekto sa mga katangian ng catalysis tulad ng ligand na nagbubuklod, paglabas ng ligand.

Ang mga site na nagbubuklod ng Allosteric ay maaaring maging target para sa mga bagong gamot. Ito ay dahil ang allosteric effector ay maaaring maka-impluwensya sa pag-andar ng enzyme. Ang pagkilala sa mga site ng allosteric ay ang unang hakbang sa pagtuklas ng mga gamot na nagpapahusay sa pagpapaandar ng enzyme.

Mga Sanggunian

1. Changeux, JP 2012. Allostery at ang modelo ng Monod-Wyman-Changeux Pagkatapos ng 50 taon. Taunang Pagrepaso sa Biophysics at Biomolecular Structure, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 taon ng mga pakikipag-ugnay sa allosteric: ang twists at mga liko ng mga modelo. Molekular na Biology ng Cell, sa Mga Review sa Kalikasan, 14: 1–11.
3. Goodey, NM at Benkovic, SJ 2008. Lumalabas ang regulasyon ng Allosteric at catalysis sa pamamagitan ng isang karaniwang ruta. Kalikasan Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Ang batayang istruktura para sa allosteric regulation ng monomeric allosteric enzyme human glucokinase. Istraktura, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Paghahambing ng data sa pang-eksperimentong data at mga teoretikal na modelo sa mga protina na naglalaman ng mga subunit. Biochemistry, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Sa likas na katangian ng mga allosteric transitions: isang maaaring mangyari na modelo. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL at Cox, MM, 2008. Lehninger - Mga Prinsipyo ng Biochemistry. WH Freeman at Company, New York.
8. Porter, CM at Miller, BG 2012. Ang kooperasyon sa mga monomeric enzymes na may solong site ng ligand-binding. Bioorganic Chemistry, 43: 44-50.
9. Voet, D. at Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley at Anak, USA.