ALLOSTERISCHE ENZYMEN: KENMERKEN, WERKINGSMECHANISMEN, VOORBEELDEN - BIOLOGIE - 2025

Een allosterisch enzym (uit het Grieks: allo, verschillende + stereo's, driedimensionale ruimte) is een eiwit waarin indirecte interacties optreden tussen topografisch verschillende plaatsen, door binding van substraten en regulerende moleculen (liganden).

De binding van een ligand aan een specifieke plaats wordt beïnvloed door de binding van een ander effectorligand (of modulatorligand) aan een andere (allosterische) plaats op het enzym. Dit staat bekend als allosterische interacties of coöperatieve interacties.

Voorbeeld van een enzym. Bron: Thomas Shafee

Wanneer de effectorligand de bindingsaffiniteit van een andere ligand voor het enzym verhoogt, is de coöperativiteit positief. Wanneer de affiniteit afneemt, is de coöperativiteit negatief. Als twee identieke liganden deelnemen aan de coöperatieve interactie, is het effect homotroop, en als de twee liganden verschillend zijn, is het effect heterotroop.

Coöperatieve interactie veroorzaakt omkeerbare veranderingen in de moleculaire structuur van het enzym, op het niveau van de tertiaire en quaternaire structuur. Deze veranderingen staan ​​bekend als conformatieveranderingen.

Geschiedenis

Het concept van allosterische interactie ontstond meer dan 50 jaar geleden. Het is in de loop van de tijd geëvolueerd, namelijk:

-In 1903 werd de sigmoïdale curve van binding van hemoglobine aan zuurstof waargenomen.

-In 1910 werd de sigmoïdale curve van O _2- binding aan hemoglobine wiskundig beschreven met behulp van Hill's vergelijking.

-In 1954 toonden Novick en Szilard aan dat een enzym dat zich aan het begin van een metabolische route bevond, werd geremd door het eindproduct van deze route, dat bekend staat als negatieve feedback.

-In 1956 ontdekte Umbarger dat L-threonine deaminase, het eerste enzym van de L-isoleucine biosyntheseroute, geremd werd door L-isoleucine, en dat het geen typische Michaelis-Menten kinetiek vertoonde met een hyperbolische curve, het had eerder een sigmoïdale curve.

-In 1963, Perutz et al., Ontdekt door middel van röntgenstralen conformationele veranderingen in de structuur van hemoglobine wanneer het zich bindt aan zuurstof. Monod en Jacob noemden de regelgevende sites "allosterische sites".

-In 1965 stelden Monod, Wyman en Changeux het symmetrische model of MWC-model voor (beginletters van Monod, Wyman en Changeux) om allosterische interacties te verklaren.

-In 1966 stelden Koshland, Nemethy en Filmer het sequentiële of geïnduceerde koppelingsmodel of KNF-model voor om allosterische interacties te verklaren.

-In 1988 demonstreerde de röntgenstructuur van aspartaattranscarbamylase het symmetrische model dat door Monod, Wyman en Changeux werd gepostuleerd.

-In de jaren negentig werden mutaties, covalente modificaties en pH-veranderingen beschouwd als allostere effectoren.

-In 1996 toonde de röntgenstructuur van de lac-repressor allosterische overgangen aan.

Werkingsmechanismen en voorbeelden

-Karakteristieken van de MWC- en KNF-modellen van allosterische regulering

MWC-model

De oorspronkelijke hypothese van het MWC-model stelde het volgende voor (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Allosterische eiwitten zijn oligomeren die zijn opgebouwd uit symmetrisch verwante protomeren. Protomeren zijn opgebouwd uit polypeptideketens of subeenheden.

De oligomeren hebben ten minste twee conformatie-toestanden (R en T). Beide toestanden (van de quaternaire structuur) brengen spontaan een evenwicht tot stand, met of zonder gebonden ligand.

Wanneer de overgang van de ene toestand naar de andere plaatsvindt, blijft de symmetrie behouden en wordt de affiniteit van een site (of meerdere) stereospecifieke sites voor een ligand gewijzigd.

Op deze manier volgt de coöperatieve binding van de liganden uit de coöperatieve interactie tussen subeenheden.

KNF-model

De KNF-modelhypothese stelde het volgende voor (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Ligandbinding veroorzaakt een verandering in de tertiaire structuur in een subeenheid. Deze verandering in conformatie heeft invloed op naburige subeenheden.

De bindingsaffiniteit van de eiwitligand hangt af van het aantal liganden dat het bij elkaar houdt. Allosterische eiwitten hebben dus meerdere conformationele toestanden die tussenliggende toestanden omvatten.

Gedurende de afgelopen vijf decennia zijn de MWC- en KNF-modellen geëvalueerd door middel van biochemische en structurele studies. Er werd aangetoond dat talrijke allosterische eiwitten, waaronder enzymen, voldoen aan wat wordt voorgesteld in het MWC-model, hoewel er uitzonderingen zijn.

Het MWC-model en allosterische enzymen (of allosterische regulerende enzymen)

Allostere enzymen zijn vaak groter en complexer dan niet-allostere enzymen. Aspartaattranscarbamylase (Asp transcarbamylase of ATCase) en fosfofructokinase-1 (PFK-1) zijn klassieke voorbeelden van allostere enzymen die voldoen aan het MWC-model.

AT House of

ATCase katalyseert de eerste reactie van de biosyntheseroute van pyrimidinenucleotiden (CTP en UTP) en gebruikt Asp als substraat. De structuur van ATCase bestaat uit katalytische en regulerende subeenheden. De ATCase heeft twee conformationele toestanden R en T. De symmetrie tussen deze twee toestanden blijft behouden.

De kinetiek van ATCase (de beginsnelheid van ATCase met verschillende concentraties aspartaat) wordt gekenmerkt door een sigmoïde curve. Dit geeft aan dat ATCasa een coöperatief gedrag heeft.

ATCase is feedback die wordt geremd door CTP. De sigmoïde curve van ATCase, in aanwezigheid van CTP, bevindt zich rechts van de sigmoïde curve van ATCase in afwezigheid van CTP. Een toename van de waarde van de Michaelis-Menten-constante ( _Km ) wordt aangetoond .

Dat wil zeggen, in aanwezigheid van CTP vereist ATCase een hogere concentratie aspartaat om de helft van de maximale snelheid ( _Vmax ) te bereiken, vergeleken met ATCase in afwezigheid van CTP.

Concluderend is CTP een heterotrope negatieve allosterische effector omdat het de affiniteit van ATCase voor aspartaat verlaagt. Dit gedrag staat bekend als negatieve coöperativiteit.

PFK - 1

PFK-1 katalyseert de derde reactie van de glycolyse-route. Deze reactie bestaat uit de overdracht van een fosfaatgroep van ATP naar fructose 6-fosfaat. De structuur van PFK-1 is een tetrameer, dat twee conformationele toestanden R en T vertoont. De symmetrie tussen deze twee toestanden blijft behouden.

De kinetiek van PFK-1 (de beginsnelheid met verschillende concentraties fructose 6-fosfaat) vertoont een sigmoïde curve. PFK-1 is onderhevig aan complexe allosterische regulatie door ATP, AMP en frutose-2,6-bisfosfaat, namelijk:

De sigmoïde curve van PFK-1, in aanwezigheid van een hoge concentratie ATP, bevindt zich rechts van de sigmoïde curve bij een lage concentratie ATP (Figuur 4). Een toename van de waarde van de Michaelis-Menten-constante ( _Km ) wordt aangetoond .

In aanwezigheid van een hoge concentratie ATP, heeft PFK-1 een hogere concentratie fructose 6-fosfaat nodig om de helft van de maximale snelheid (V _max ) te bereiken.

Concluderend is ATP, behalve dat het een substraat is, een negatieve heterotrope allosterische effector omdat het de affiniteit van PFK-1 voor fructose 6-fosfaat verlaagt.

De sigmoïde curve van PFK-1, in aanwezigheid van AMP, ligt links van de sigmoïde curve van PFK-1 in aanwezigheid van ATP. Dat wil zeggen, AMP elimineert het remmende effect van ATP.

In de aanwezigheid van AMP vereist PFK-1 een lagere concentratie fructose-6-fosfaat om de helft van de maximale snelheid (V _max ) te bereiken. Dit komt tot uiting in het feit dat er een afname is in de waarde van de Michaelis-Menten-constante ( _Km ).

Concluderend is AMP een positieve heterotrope allosterische effector omdat het de bindingsaffiniteit van PFK-1 voor fructose-6-fosfaat verhoogt. Frutose-2,6-bisfosfaat (F2,6BP) is een krachtige allosterische activator van PFK-1 (Figuur 5), en zijn gedrag is vergelijkbaar met dat van AMP.

Het MWC-model is gebruikelijk, maar niet universeel

Van de totale eiwitstructuren die in PDB (eiwitdatabank) zijn gedeponeerd, zijn de helft oligomeren en de andere helft monomeren. Het is aangetoond dat coöperativiteit niet meerdere liganden vereist, of de assemblage van meerdere subeenheden. Dit is het geval voor glucokinase en andere enzymen.

Glucokinase is monomeer, heeft een polypeptideketen en vertoont sigmoïdale kinetiek als reactie op een verhoogde bloedglucoseconcentratie (Porter en Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Er zijn verschillende modellen die coöperatieve kinetiek in monomere enzymen verklaren, namelijk: ezelsbruggetje model, ligand-geïnduceerd langzaam overgangsmodel, willekeurige toevoeging van substraten in biomoleculaire reacties, soorten langzame conformatieveranderingen, onder anderen.

Studies naar de structuur van glucokinase hebben het geheugenmodel ondersteund

Normaal menselijk glucokinase heeft een _Km van 8 mM voor glucose. Deze waarde ligt dicht bij de bloedglucoseconcentratie.

Er zijn patiënten die lijden aan pes-resistente hyperinsulinemie in de kindertijd (PHHI). De glucokinase van deze patiënten heeft een lagere _Km voor glucose dan normale glucokinasen en de coöperativiteit is significant verminderd.

Bijgevolg hebben deze patiënten een glucokinasevariant die hyperactief is, wat in ernstige gevallen fataal kan zijn.

Toepassingen van allosterisme

Allostry en katalyse zijn nauw met elkaar verbonden. Hierdoor kunnen allosterische effecten de katalyse-eigenschappen beïnvloeden, zoals ligandbinding, ligandafgifte.

Allosterische bindingsplaatsen kunnen doelwitten zijn voor nieuwe geneesmiddelen. Dit komt omdat de allosterische effector de functie van het enzym kan beïnvloeden. Identificatie van allosterische sites is de eerste stap in de ontdekking van geneesmiddelen die de enzymfunctie versterken.

Referenties

1. Changeux, JP 2012. Allostery en het Monod-Wyman-Changeux-model Na 50 jaar. Jaaroverzicht van biofysica en biomoleculaire structuur, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 jaar allosterische interacties: de wendingen van de modellen. Molecular Cell Biology, in Nature Reviews, 14: 1-11.
3. Goodey, NM en Benkovic, SJ 2008. Allosterische regulatie en katalyse ontstaan ​​via een gemeenschappelijke route. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Structurele basis voor allostere regulatie van het monomere allosterische enzym menselijke glucokinase. Structuur, 12: 429-438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Vergelijking van experimentele bindingsgegevens en theoretische modellen in eiwitten die subeenheden bevatten. Biochemistry, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Over de aard van allosterische overgangen: een plausibel model. Journal of Molecular Biology, 12: 88-118.
7. Nelson, DL en Cox, MM, 2008. Lehninger - Principes van biochemie. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM en Miller, BG 2012. Coöperativiteit in monomere enzymen met enkele ligandbindingsplaatsen. Bioorganic Chemistry, 43: 44-50.
9. Voet, D. en Voet, J. 2004. Biochemie. John Wiley and Sons, VS.