Charakteristische Enzyme Eigenschaften, Aktionsmechanismen, Beispiele

A Alosterisches Enzym (Aus dem Griechischen: Allo, unterschiedliche + Stereos, dreidimensionaler Raum) ist ein Protein, in dem indirekte Wechselwirkungen zwischen topografisch unterschiedlichen Stellen durch die Vereinigung von Substraten und regulatorischen Molekülen (Liganden) hergestellt werden.

Die Vereinigung eines Liganden zu einem bestimmten Standort wird von der Vereinigung eines anderen Effektorliganden (oder modulierenden Ligands) an einen anderen anderen (alosterischen) Ort des Enzyms beeinflusst. Dies ist als alestherische Wechselwirkungen oder kooperative Wechselwirkungen bekannt.

Beispiel eines Enzyms. Quelle: Thomas Shafee [CC BY-SA 4.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/4.0)]]

Wenn der Effektorligand die Affinität der Vereinigung eines anderen Liganden zum Enzym erhöht, ist die Genossenschaft positiv. Wenn die Affinität abnimmt, ist die Genossenschaft negativ. Wenn zwei gleiche Liganden an der kooperativen Wechselwirkung teilnehmen, ist der Effekt homotrop, und wenn die beiden Liganden unterschiedlich sind, ist der Effekt heterotrop.

Die kooperative Wechselwirkung erzeugt reversible Veränderungen in der molekularen Struktur des Enzyms auf der Ebene der tertiären und quaternären Struktur. Diese Veränderungen werden als Konformationsänderungen bezeichnet.

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Geschichte

Das Konzept der alestischen Interaktion ist vor mehr als 50 Jahren entstanden. Es hat sich im Laufe der Zeit entwickelt, nämlich:

-Im Jahr 1903 wurde die Sigmoid -Kurve von Sauerstoffhämoglobin beobachtet.

-Im Jahr 1910 die sigmoidale Kurve der Vereinigung von O₂ Hämoglobin wurde mathematisch durch Hills Gleichung beschrieben.

-Im Jahr 1954 zeigten Novick und Szilard, dass ein Enzym am Anfang eines Stoffwechselweges durch das Endprodukt dieser Route, das als negatives Feedback bekannt ist.

-1956 entdeckte Umbarger, dass L-Treonin-Herzschmerz, das erste Enzym der Biosynthese von L-Isoleucin, von L-Isoleucin gehemmt wurde und dass es keine typische Kinetik von Michaelis-mente mit einer hyperbolischen Kurve aufwies, aber die, die aber die hatte eine sigmoidale Kurve.

-Im Jahr 1963 haben Perutz et al., Sie entdeckten durch x -Strahlen Konformationsänderungen an der Struktur von Hämoglobin bei der Bindung an Sauerstoff. Monod und Jacob benannten die Regulierungsstellen in "alestherische Stellen" um,.

-Im Jahr 1965 schlagen Monod, Wyman und Changeeux das symmetrische Modell oder das MWC.

-Im Jahr 1966 schlagen Koshland, Nemethy und Filmer das sequentielle oder induzierte Kopplungsmodell oder das KNF -Modell vor, um die alestherischen Wechselwirkungen zu erklären.

-1988 zeigte die X -Strahlstruktur des Transcarbamilasa -Aspartat das von Monod, Wyman und Changeeux postulierte symmetrische Modell.

-In den neunziger Jahren wurden Mutationen, kovalente Modifikationen und pH -Veränderungen als alosterische Effektoren angesehen.

-1996 die X -Strahlstruktur Lac Übergänge zur Theosterikum nachgewiesen.

Aktionsmechanismen und Beispiele

-Eigenschaften der MWC- und KNF -Modelle der alosterischen Regulation

MWC -Modell

Die ursprüngliche MWC -Modellhypothese schlug die folgenden vor (Monod, Wyman, Changeeux, 1965)

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Alosterische Proteine ​​sind Oligomere, die aus symmetrisch verwandten Protomeren bestehen. Protomere bestehen aus Untereinheiten oder Polypeptidketten.

Oligomere haben mindestens zwei Konformationszustände (R und T). Beide Zustände (der quartären Struktur) stellen spontan ein Gleichgewicht mit oder ohne Verknüpfung zusammen.

Wenn der Übergang von einem Zustand in einen anderen auftritt.

Auf diese Weise fährt die Ligandos Cooperative Union von der kooperativen Wechselwirkung zwischen Untereinheiten fort.

KNF -Modell

Die Hypothese des KNF -Modells schlug die folgenden vor (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Die Binding Union führt zu einer Änderung der Tertiärstruktur in einer Untereinheit. Diese Änderung der Konformation beeinflusst benachbarte Untereinheiten.

Die Bindungsaffinität der Proteinliganden hängt von der Anzahl der Liganden ab, die zusammen bleiben. Daher haben Theosteric -Proteine ​​mehrere Konformationszustände, die Zwischenzustände enthalten.

In den letzten fünf Jahrzehnten wurden MWC- und KNF -Modelle durch biochemische und strukturelle Studien bewertet. Es wurde gezeigt, dass zahlreiche alestherische Proteine, einschließlich Enzyme, dem, was im MWC -Modell vorgeschlagen wird, entsprechen, obwohl es Ausnahmen gibt.

Das MWC -Modell und die alestherischen Enzyme (oder regulatorische Enzyme)

Alosterische Enzyme sind häufig größer und komplexer als nicht -alestherische Enzyme. Transcarbamilase-Aspartat (Aspcarbamilasa oder ATCASA) und Phosphofructiona-1 (PFK-1) sind klassische Beispiele für alestherische Enzyme, die dem MWC-Modell entsprechen.

Atcasa von UND. coli

Die ATCASA katalysiert die erste Reaktion der Pyrimidin -Nucleotid -Biosynthese (CTP und UTP) und verwenden ASP als Substrat. Die Struktur der ATCASA besteht aus katalytischen und regulatorischen Untereinheiten. ATCASA hat zwei Konformationszustände r und t. Die Symmetrie zwischen diesen beiden Zuständen bleibt erhalten.

Die Kinetik von ATCASA (die anfängliche Geschwindigkeit von ATCAS. Dies weist darauf hin, dass ATCASA kooperatives Verhalten hat.

ATCASA wird durch CTP -Feedback gehemmt. Die Sigmoidkurve von ATCASA in Gegenwart von CTP ist rechts von der Sigmoid -Kurve von ATCA. Eine Wertsteigerung der Michaelis-Mindly-Konstante (K_M).

Das heißt in Gegenwart von CTP, ATCAV_Max), Im Vergleich zu ATCASA in Abwesenheit von CTP.

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Zusammenfassend ist das CTP ein heterotropen negativer Effektor, da die Affinität von ATCASA durch Aspartat abnimmt. Dieses Verhalten wird als negative Kooperativität bezeichnet.

PFK-1

Der PFK-1 katalysiert die dritte Reaktion des Glykolysewegs. Diese Reaktion besteht aus der Übertragung einer Phosphatgruppe vom ATP auf die 6-phosphat-Fructose. Die Struktur des PFK-1 ist ein Tetrameter, der zwei Konformationszustände R und T aufweist. Die Symmetrie zwischen diesen beiden Zuständen bleibt erhalten.

Die Kinetik des PFK-1 (die Anfangsgeschwindigkeit mit unterschiedlichen Konzentrationen von 6-phosphat-Fructose) zeigt eine Sigmoidkurve. Der PFK-1Stá unterliegt einer komplexen alostrischen Regulation durch ATP, AMP und Frutosa-2,6-Biphosphat, nämlich:

Die Sigmoidkurve des PFK-1 in Gegenwart einer hohen ATP-Konzentration ist rechts von der Sigmoidkurve bei niedriger ATP-Konzentration (Abbildung 4). Eine Wertsteigerung der Michaelis-Mindly-Konstante (K_M).

In Gegenwart einer hohen ATP-Konzentration benötigt PFK-1 eine größere 6-phosphat-Fructosekonzentration, um die Hälfte der maximalen Geschwindigkeit zu erreichen (maximale Geschwindigkeit (V_Max).

Zusammenfassend ist das ATP zusätzlich zu einem Substrat ein negatives heterotropes Alostroéric.

Die Sigmoidkurve des PFK-1 in Gegenwart von AMP befindet sich links von der Sigmoid-Kurve des PFK-1 in Gegenwart von ATP. Das heißt, der AMP eliminiert den ATP -Inhibitor -Effekt.

In Gegenwart von AMP erfordert PFK-1 eine niedrigere 6-phosphat-Fructosekonzentration, um die Hälfte der maximalen Geschwindigkeit zu erreichen (V_Max). Dies zeigt sich in der Tatsache, dass der Wert der Michaelis -mente -Konstante abnimmt (K_M).

Zusammenfassend ist der AMP ein positives heterotropes Alostroarist. Frutosa-2,6-Biphosphat (F2.6BP) ist ein starker alostrischer Aktivator des PFK-1 (Abbildung 5), und sein Verhalten ähnelt dem des Amps.

Das MWC -Modell ist häufig, aber nicht universell

Von den gesamten Proteinstrukturen, die in PDB (Proteindatenbank) abgelagert sind, sind die Hälfte Oligomere und die andere Hälfte Monomere. Es wurde gezeigt, dass Kooperativität nicht mehrere Liganden oder mehrere Untereinheiten -Baugruppen benötigt. Dies ist der Fall von Glycoquinase und anderen Enzymen.

Glukoquinase ist monomer, hat eine Polypeptidkette und zeigt eine sigmoidale kinetische Kinetik als Reaktion auf die Erhöhung der Blutzuckerkonzentration (Porter und Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

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Es gibt verschiedene Modelle, die die kooperative Kinetik in monomeren Enzymen erklären, nämlich: mnemonisches Modell, langsam induziertes langsames durcheinander.

Strukturstudien von Glycoquinase haben das mnemonische Modell unterstützt

Normale menschliche Glycocinase hat a K_M 8 mm für Glukose. Dieser Wert liegt nahe an der Blutzuckerkonzentration.

Es gibt Patienten, die an Hyperinsulinämie -Pessista der Kindheit leiden (Akronym in Englisch, Phhi). Die Glycokinase dieser Patienten hat a K_M Für Glucose mit einem niedrigeren Wert als normaler Glycocinas, und kooperativ ist wichtig.

Folglich haben diese Patienten eine hyperaktive Glycokinase -Variante, die in schweren Fällen tödlich sein kann.

Alosterismusanwendungen

Alostería und Katalyse sind eng miteinander verbunden. Aus diesem Grund können die alestherischen Effekte die Eigenschaften der Katalyse wie die Bindung des Liganden, Ligandenfreisetzung beeinflussen.

Alosteric Union -Standorte können Ziele neuer Medikamente sein. Dies liegt an der Tatsache, dass der Alkal -Effektor die Funktion des Enzyms beeinflussen kann. Die Identifizierung alosterischer Stellen ist der erste Schritt zur Entdeckung von Arzneimitteln, die die Funktion von Enzymen verbessern.

Verweise

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