ENZIM ALLOSTERIC: CIRI, MEKANISME TINDAKAN, CONTOH - BIOLOGI - 2026

An enzim allosteric (dari bahasa Yunani: allo, + stereo berbeza, ruang tiga dimensi) adalah protein di mana interaksi tidak langsung berlaku antara tapak topografi yang berbeza, oleh mengikat substrat dan molekul peraturan (ligan).

Pengikatan ligan ke laman web tertentu dipengaruhi oleh pengikatan ligan penguat (atau ligan modulator) lain ke laman (alosterik) enzim yang berbeza. Ini dikenali sebagai interaksi allosteric, atau interaksi koperatif.

Contoh enzim. Sumber: Thomas Shafee

Apabila ligan efektor meningkatkan pertalian ligan yang lain terhadap enzim, koperatif adalah positif. Apabila pertaliannya berkurang, kerja sama negatif. Sekiranya dua ligan yang sama turut serta dalam interaksi koperasi, kesannya adalah homotropik, dan jika kedua-dua ligan itu berbeza, kesannya adalah heterotropik.

Interaksi koperasi menghasilkan perubahan berbalik pada struktur molekul enzim, pada tahap struktur tersier dan kuarter. Perubahan ini dikenali sebagai perubahan konformasi.

Sejarah

Konsep interaksi alosterik muncul lebih dari 50 tahun yang lalu. Ia telah berkembang melalui masa, iaitu:

Pada tahun 1903, keluk sigmoidal pengikatan hemoglobin dengan oksigen diperhatikan.

-Dalam 1910, keluk sigmoidal O ₂ mengikat hemoglobin telah matematik diterangkan dengan menggunakan persamaan Hill.

-Pada tahun 1954, Novick dan Szilard menunjukkan bahawa enzim yang terletak di awal jalur metabolik dihambat oleh produk akhir dari jalur ini, yang dikenali sebagai maklum balas negatif.

Pada tahun 1956, Umbarger mendapati bahawa deaminase L-threonine, enzim pertama dari jalur biosintesis L-isoleucine, dihambat oleh L-isoleucine, dan bahawa ia tidak menunjukkan kinetik Michaelis-Menten khas dengan lekukan hiperbolik, sebaliknya mempunyai lengkung sigmoidal.

-Pada tahun 1963, Perutz et al., Ditemui melalui sinar-X perubahan konformasi struktur hemoglobin ketika mengikat oksigen. Monod dan Jacob menamakan semula laman peraturan tersebut sebagai "laman alosterik."

-Pada tahun 1965, Monod, Wyman dan Changeux mengusulkan model simetrik, atau model MWC (huruf awal Monod, Wyman dan Changeux) untuk menjelaskan interaksi alosterik.

Pada tahun 1966, Koshland, Nemethy dan Filmer mengusulkan model gandingan berurutan atau teraruh, atau model KNF, untuk menjelaskan interaksi alosterik.

-Pada tahun 1988, struktur sinar-X transcarbamylase aspartat menunjukkan model simetri yang disusun oleh Monod, Wyman dan Changeux.

-Pada tahun 1990an, mutasi, modifikasi kovalen dan perubahan pH dianggap sebagai efektor alosterik.

Pada tahun 1996, struktur sinar-X penindas lac menunjukkan peralihan alosterik.

Mekanisme tindakan dan contoh

-Ciri-ciri model MWC dan KNF peraturan alosterik

Model MWC

Hipotesis asal model MWC mencadangkan yang berikut (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Protein alosterik adalah oligomer yang terdiri daripada protomer yang berkaitan dengan simetri. Protomer terdiri daripada rantai atau subunit polipeptida.

Oligomer mempunyai sekurang-kurangnya dua keadaan konformasi (R dan T). Kedua-dua keadaan (dari struktur kuarter) secara spontan membentuk keseimbangan, dengan atau tanpa ligan terikat.

Apabila peralihan dari satu keadaan ke keadaan lain berlaku, simetri dipelihara, dan pertalian laman web (atau beberapa) stereospesifik untuk ligan diubah.

Dengan cara ini, ikatan koperasi ligan berpunca daripada interaksi koperasi antara subunit.

Model KNF

Hipotesis model KNF mengemukakan yang berikut (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Pengikatan ligan menghasilkan perubahan struktur tersier dalam subunit. Perubahan konformasi ini mempengaruhi subunit tetangga.

Perkaitan antara ligan protein bergantung pada jumlah ligan yang dipegang bersama. Oleh itu, protein alosterik mempunyai beberapa keadaan konformasi yang merangkumi keadaan perantaraan.

Selama lima dekad terakhir, model MWC dan KNF telah dinilai melalui kajian biokimia dan struktur. Telah ditunjukkan bahawa banyak protein alosterik, termasuk enzim, mematuhi apa yang dicadangkan dalam model MWC, walaupun ada pengecualian.

Model MWC dan enzim alosterik (atau enzim pengawalseliaan alosterik)

Enzim alosterik selalunya lebih besar dan lebih kompleks daripada enzim bukan alosterik. Aspartate transcarbamylase (Asp transcarbamylase atau ATCase) dan phosphofructokinase-1 (PFK-1) adalah contoh klasik enzim allosteric yang mematuhi model MWC.

Di Rumah Pangsapuri

ATCase memangkinkan reaksi pertama jalur biosintesis nukleotida pyrimidine (CTP dan UTP) dan menggunakan Asp sebagai substrat. Struktur ATCase terdiri daripada unit pemangkin dan pengatur. ATCase mempunyai dua keadaan konformasi R dan T. Simetri antara kedua-dua keadaan ini dipelihara.

Kinetik ATCase (kadar awal ATCase dengan kepekatan aspartat yang berbeza) dicirikan oleh lengkung sigmoid. Ini menunjukkan bahawa ATCasa mempunyai tingkah laku bekerjasama.

ATCase adalah maklum balas yang dihambat oleh CTP. Lengkung sigmoid ATCase, di hadapan CTP, berada di sebelah kanan lengkung sigmoid ATCase tanpa adanya CTP. Peningkatan nilai pemalar Michaelis-Menten (K _m ) dibuktikan .

Maksudnya, dengan adanya CTP, ATCase memerlukan kepekatan aspartat yang lebih tinggi untuk mencapai separuh kadar maksimum (V _max ), dibandingkan dengan ATCase tanpa adanya CTP.

Kesimpulannya, CTP adalah efektor alosterik negatif heterotropik kerana ia mengurangkan pertalian ATCase untuk aspartat. Tingkah laku ini dikenali sebagai kerjasama yang negatif.

PFK - 1

PFK-1 memangkin reaksi ketiga dari jalur glikolisis. Tindak balas ini terdiri daripada pemindahan kumpulan fosfat dari ATP ke fruktosa 6-fosfat. Struktur PFK-1 adalah tetramer, yang menunjukkan dua keadaan konformasi R dan T. Simetri antara kedua keadaan ini dilestarikan.

Kinetik PFK-1 (kadar awal dengan kepekatan fruktosa 6-fosfat yang berbeza) menunjukkan lengkung sigmoid. PFK-1 tunduk pada peraturan alosterik kompleks oleh ATP, AMP dan frutose-2,6-bifosfat, yaitu:

Lengkung sigmoid PFK-1, dengan adanya kepekatan ATP yang tinggi, berada di sebelah kanan lengkung sigmoid pada kepekatan ATP yang rendah (Gambar 4). Peningkatan nilai pemalar Michaelis-Menten (K _m ) dibuktikan .

Sekiranya terdapat kepekatan ATP yang tinggi, PFK-1 memerlukan kepekatan fruktosa 6-fosfat yang lebih tinggi untuk mencapai separuh kadar maksimum (V _max ).

Kesimpulannya, ATP, selain menjadi substrat, adalah efektor alosterik heterotropik negatif kerana ia mengurangkan pertalian PFK-1 untuk fruktosa 6-fosfat.

Lengkung sigmoid PFK-1, di hadapan AMP, terletak di sebelah kiri lengkung sigmoid PFK-1 di hadapan ATP. Iaitu, AMP menghilangkan kesan penghambatan ATP.

Dengan adanya AMP, PFK-1 memerlukan kepekatan fruktosa 6-fosfat yang lebih rendah untuk mencapai separuh kadar maksimum (V _max ). Ini ditunjukkan dalam kenyataan bahawa terdapat penurunan nilai pemalar Michaelis-Menten (K _m ).

Kesimpulannya, AMP adalah efektor alosterik heterotropik positif kerana meningkatkan pertalian PFK-1 untuk fruktosa 6-fosfat. Frutose-2,6-bifosfat (F2,6BP) adalah pengaktifkan alosterik kuat PFK-1 (Rajah 5), dan tingkah lakunya serupa dengan AMP.

Model MWC adalah biasa, tetapi tidak universal

Dari jumlah struktur protein yang disimpan di PDB (Protein data bank), separuh daripadanya adalah oligomer dan separuh lagi adalah monomer. Telah ditunjukkan bahawa kerjasama tidak memerlukan banyak ligan, atau pemasangan beberapa subunit. Ini adalah kes glukokinase dan enzim lain.

Glukokinase adalah monomer, mempunyai rantai polipeptida, dan menunjukkan kinetik sigmoid sebagai tindak balas terhadap peningkatan kepekatan glukosa darah (Porter dan Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Terdapat model yang berbeza yang menjelaskan kinetik koperasi dalam enzim monomer, iaitu: model mnemonik, model peralihan perlahan yang disebabkan oleh ligan, penambahan substrat secara rawak dalam tindak balas biomolekul, jenis perubahan konformasi lambat, antara lain.

Kajian struktur glukokinase telah menyokong model mnemonik

Glukokinase manusia normal mempunyai K _m 8 mM untuk glukosa. Nilai ini hampir dengan kepekatan glukosa darah.

Terdapat pesakit yang menderita hiperinsulinemia tahan pes pada masa kanak-kanak (PHHI). Glukokinase pesakit ini mempunyai K _m yang lebih rendah untuk glukosa daripada glukokinase biasa, dan kerja sama berkurang dengan ketara.

Akibatnya, pesakit ini mempunyai varian glukokinase yang hiperaktif, yang dalam kes yang teruk boleh membawa maut.

Aplikasi alosterisme

Allostry dan pemangkin berkait rapat. Oleh kerana itu, kesan alosterik dapat mempengaruhi ciri-ciri pemangkin seperti pengikatan ligan, pelepasan ligan.

Laman pengikat alosterik mungkin menjadi sasaran ubat baru. Ini kerana efektor alosterik dapat mempengaruhi fungsi enzim. Pengenalpastian laman web alosterik adalah langkah pertama dalam penemuan ubat-ubatan yang meningkatkan fungsi enzim.

Rujukan

1. Changeux, JP 2012. Allostery dan model Monod-Wyman-Changeux Selepas 50 tahun. Kajian Tahunan Biofizik dan Struktur Biomolekul, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 tahun interaksi alosterik: liku-liku model. Biologi Sel Molekul, dalam Ulasan Alam, 14: 1–11.
3. Goodey, NM dan Benkovic, SJ 2008. Peraturan dan pemangkinan alosterik muncul melalui jalan biasa. Biologi Kimia Alam, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Asas struktur untuk peraturan alosterik glukokinase manusia enzim allosteric monomer. Struktur, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Perbandingan data pengikatan eksperimen dan model teori dalam protein yang mengandungi subunit. Biokimia, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Mengenai sifat peralihan alosterik: model yang masuk akal. Jurnal Biologi Molekul, 12: 88–118.
7. Nelson, DL dan Cox, MM, 2008. Lehninger - Prinsip Biokimia. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM dan Miller, BG 2012. Kerjasama dalam enzim monomer dengan tapak pengikat ligan tunggal. Kimia Bioorganik, 43: 44-50.
9. Voet, D. dan Voet, J. 2004. Biokimia. John Wiley and Sons, Amerika Syarikat.