bugorwiki.info
на главную

Аллостерическая регуляция

Аллостерическая регуляция фермента

В биохимии, аллостерическая регулирование (или аллостерическая контроль) является регулирование фермента путем связывания эффекторной молекулы на участке, кроме активного сайта фермента.

Сайт, с которым связывается эффектор, называется аллостерическим сайтом или регуляторным сайтом . Аллостерические участки позволяют эффекторам связываться с белком, что часто приводит к конформационным изменениям, связанным с динамикой белка. Эффекты, которые усиливают активность белка, называют аллостерическими активаторами , тогда как те, которые уменьшают активность белка, называют аллостерическими ингибиторами .

Аллостерические нормативы являются естественным примером контуров управления, таких как обратная связь от нижестоящих продуктов или прямая связь от восходящих субстратов. Аллостерия на большие расстояния особенно важна в передаче сигналов клетки. Аллостерическая регуляция также особенно важна в способности клетки регулировать активность фермента.

Термин аллостерия происходит от древнегреческого аллос ((λλος), «другое», и стерео (στερεὀς), «твердое тело (объект)». Это связано с тем фактом, что регуляторный сайт аллостерического белка физически отличается от его активного сайта.

модели

A - Активный сайт
B - Аллостерический сайт
С - Субстрат
D - Ингибитор
E - Фермент
Это диаграмма аллостерической регуляции фермента.

Многие аллостерические эффекты могут быть объяснены согласованной моделью MWC, предложенной Monod, Wyman и Changeux, или последовательной моделью, описанной Koshland, Nemethy и Filmer. Оба постулируют, что белковые субъединицы существуют в одной из двух конформаций, напряженных (Т) или расслабленных (R), и что расслабленные субъединицы связывают субстрат с большей готовностью, чем в напряженном состоянии. Эти две модели больше всего отличаются в своих предположениях о взаимодействии субъединиц и предсуществовании обоих состояний. Для белков, в которых субъединицы существуют более чем в двух конформациях, может использоваться модель ландшафта аллостерии, описанная Cuendet, Weinstein и LeVine.

Согласованная модель

Согласованная модель аллостерии, также называемая моделью симметрии или моделью MWC, постулирует, что ферментные субъединицы связаны таким образом, что конформационное изменение в одной субъединице обязательно присваивается всем другим субъединицам. Таким образом, все субъединицы должны существовать в одной конформации. Модель также считает, что в отсутствие какого-либо лиганда (субстрата или иным образом) равновесие благоприятствует одному из конформационных состояний, T или R. Равновесие может быть сдвинуто в состояние R или T посредством связывания одного лиганда ( аллостерический эффектор или лиганд) на сайт, который отличается от активного сайта (аллостерический сайт).

Последовательная модель

Последовательная модель аллостерической регуляции гласит, что субъединицы не связаны таким образом, что конформационное изменение в одних вызывает аналогичное изменение в других. Таким образом, все субъединицы фермента не требуют одинаковой конформации. Более того, последовательная модель диктует, что молекулы субстрата связываются по протоколу индуцированной подгонки. В общем, когда субъединица случайно сталкивается с молекулой субстрата, активный сайт, по существу, образует перчатку вокруг своего субстрата. Хотя такое индуцированное приближение преобразует субъединицу из напряженного состояния в расслабленное состояние, оно не распространяет конформационное изменение на соседние субъединицы. Вместо этого связывание субстрата в одной субъединице лишь незначительно изменяет структуру других субъединиц, так что их сайты связывания являются более восприимчивыми к субстрату. Подвести итоги:

  • субъединицы не должны существовать в одной и той же конформации
  • молекулы субстрата связываются по протоколу индуцированной подгонки
  • конформационные изменения распространяются не на все субъединицы

Модель морфеина

Модель аллостерической регуляции морфеина является диссоциативной согласованной моделью.

Морфеин - это гомоолигомерная структура, которая может существовать как ансамбль физиологически значимых и функционально различных альтернативных четвертичных ансамблей. Переходы между альтернативными морфиновыми ассамблеями включают диссоциацию олигомера, конформационные изменения в диссоциированном состоянии и повторную сборку в другой олигомер. Требуемая стадия разборки олигомера отличает модель морфеина для аллостерической регуляции от классической модели MWC и KNF.

Порфобилиногенсинтаза (PBGS) является прототипом морфеина.

Ансамбль моделей

Ансамблевые модели аллостерического регулирования перечисляют статистический ансамбль аллостерической системы как функцию ее функции потенциальной энергии, а затем связывают конкретные статистические измерения аллостерии с конкретными энергетическими членами в функции энергии (такими как межмолекулярный солевой мостик между двумя доменами). Ансамблевые модели, такие как аллостерическая модель ансамбля и аллостерическая модель Изинга, предполагают, что каждый домен системы может принимать два состояния, аналогичных модели MWC. Модель ландшафта аллостерии, представленная Куэндетом, Вайнштейном и ЛеВайном, позволяет доменам иметь любое количество состояний, и вклад конкретного молекулярного взаимодействия в данную аллостерическую связь может быть оценен с использованием строгого набора правил. Моделирование молекулярной динамики может быть использовано для оценки статистического ансамбля системы, чтобы его можно было проанализировать с помощью аллостерической ландшафтной модели.

Аллостерическая модуляция

Основная статья: Аллостерический модулятор

Аллостерическая модуляция используется для изменения активности молекул и ферментов в биохимии и фармакологии. Для сравнения, типичное лекарственное средство предназначено для связывания с активным центром фермента, что, таким образом, запрещает связывание субстрата с этим ферментом, вызывая снижение активности фермента. Аллостерическая модуляция происходит, когда эффектор связывается с аллостерическим сайтом (также известным как регуляторный сайт) фермента и изменяет активность фермента. Аллостерические модуляторы предназначены для подгонки аллостерического сайта, чтобы вызвать конформационное изменение фермента, в частности изменение формы активного сайта, которое затем вызывает изменение его активности. В отличие от типичных препаратов, модуляторы не являются конкурентными ингибиторами. Они могут быть положительными (активирующими), вызывающими повышение активности фермента, или отрицательными (ингибирующими), вызывающими снижение активности фермента. Использование аллостерической модуляции позволяет контролировать эффекты специфической активности ферментов; в результате аллостерические модуляторы очень эффективны в фармакологии.

Модель ощущения энергии

Примером этой модели является Mycobacterium tuberculosis , бактерия, которая идеально подходит для адаптации к жизни в макрофагах человека. Сайты фермента служат связующим звеном между различными субстратами. Конкретно между AMP и G6P. Сайты, подобные этим, также служат чувствительным механизмом эффективности фермента.

Положительная модуляция

Положительная аллостерическая модуляция (также известная как аллостерическая активация ) происходит, когда связывание одного лиганда усиливает притяжение между молекулами субстрата и другими сайтами связывания. Примером является связывание молекул кислорода с гемоглобином, где кислород эффективно является как субстратом, так и эффектором. Аллостерический или «другой» сайт является активным сайтом соседней белковой субъединицы. Связывание кислорода с одной субъединицей вызывает конформационные изменения в этой субъединице, которые взаимодействуют с остальными активными центрами для повышения их сродства к кислороду. Другой пример аллостерической активации наблюдается в цитозольной IMP-GMP-специфической 5'-нуклеотидазе II (cN-II), где сродство к субстрату GMP увеличивается при связывании GTP на границе раздела димеров.

Отрицательная модуляция

Отрицательная аллостерическая модуляция (также известная как аллостерическое ингибирование ) происходит, когда связывание одного лиганда уменьшает сродство к субстрату в других активных сайтах. Например, когда 2,3-BPG связывается с аллостерическим участком на гемоглобине, сродство к кислороду всех субъединиц уменьшается. Это когда регулятор отсутствует на сайте связывания.

Прямые ингибиторы тромбина являются отличным примером негативной аллостерической модуляции. Были обнаружены аллостерические ингибиторы тромбина, которые потенциально могут быть использованы в качестве антикоагулянтов.

Другим примером является стрихнин, судорожный яд, который действует как аллостерический ингибитор глицинового рецептора. Глицин является основным постсинаптическим ингибиторным нейротрансмиттером в спинном мозге и стволе головного мозга млекопитающих. Стрихнин действует на отдельном сайте связывания глицинового рецептора аллостерическим образом; его связывание снижает сродство глицинового рецептора к глицину. Таким образом, стрихнин подавляет действие тормозящего передатчика, что приводит к судорогам.

Другой случай, когда можно наблюдать отрицательную аллостерическую модуляцию, происходит между АТФ и ферментом фосфофруктокиназой в петле отрицательной обратной связи, которая регулирует гликолиз. Фосфофруктокиназа (обычно называемая PFK) представляет собой фермент, который катализирует третью стадию гликолиза: фосфорилирование фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1,6-бисфосфат. PFK может быть аллостерически ингибирован высоким уровнем АТФ в клетке. Когда уровни АТФ высоки, АТФ связывается с аллосатерным сайтом на фосфофруктокиназе, вызывая изменение трехмерной формы фермента. Это изменение вызывает снижение его сродства к субстрату (фруктозо-6-фосфату и АТФ) в активном центре, и фермент считается неактивным. Это приводит к прекращению гликолиза при высоком уровне АТФ, что позволяет сохранить глюкозу в организме и поддерживать сбалансированный уровень клеточного АТФ. Таким образом, АТФ служит негативным аллостерическим модулятором для ПФК, несмотря на то, что он также является субстратом фермента.

Типы

Homotropic

Гомотропный аллостерический модулятор является субстратом для его целевого фермента, а также регуляторной молекулы активности фермента. Обычно это активатор фермента. Например, O2 и CO являются гомотропными аллостерическими модуляторами гемоглобина. Аналогично, в IMP / GMP-специфической 5'-нуклеотидазе связывание одной молекулы GMP с одной субъединицей тетрамерного фермента приводит к увеличению сродства к GMP последующими субъединицами, что выявляется на графиках зависимости сигмоидального субстрата от скорости.

Heterotropic

Гетеротропный аллостерический модулятор представляет собой регуляторную молекулу, которая не является субстратом фермента. Это может быть либо активатор, либо ингибитор фермента. Например, H +, CO2 и 2,3-бисфосфоглицерат являются гетеротропными аллостерическими модуляторами гемоглобина. Еще раз, в IMP / GMP-специфичной 5'-нуклеотидазе связывание молекулы GTP на границе раздела димеров в тетрамерном ферменте приводит к увеличению сродства к субстрату GMP в активном сайте, что указывает на гетеротропную аллостерическую активацию K-типа.

Как было достаточно подчеркнуто выше, некоторые аллостерические белки могут регулироваться как их субстратами, так и другими молекулами. Такие белки способны как к гомотропным, так и к гетеротропным взаимодействиям.

Основные активаторы

Некоторые аллостерические активаторы называют «необходимыми» или «обязательными» активаторами в том смысле, что в их отсутствие активность их целевого ферментативного действия очень низкая или незначительная, как в случае с активностью N-ацетилглутамата в отношении карбамоилфосфата. синтетазы I, например.

Нерегулирующая аллостерия

Нерегулирующим аллостерическим сайтом является любой нерегуляторный компонент фермента (или любого белка), который сам не является аминокислотой. Например, многие ферменты требуют связывания натрия для обеспечения правильного функционирования. Однако натрий не обязательно действует как регуляторная субъединица; натрий присутствует всегда, и нет известных биологических процессов для добавления / удаления натрия для регулирования активности фермента. Нерегулирующая аллостерия может содержать любые другие ионы, кроме натрия (кальций, магний, цинк), а также другие химические вещества и, возможно, витамины.

Фармакология

Аллостерическая модуляция рецептора возникает в результате связывания аллостерических модуляторов в другом сайте («регуляторный сайт») от эндогенного лиганда («активный сайт») и усиливает или ингибирует действие эндогенного лиганда. При нормальных обстоятельствах он действует, вызывая конформационные изменения в молекуле рецептора, что приводит к изменению аффинности связывания лиганда. Таким образом, аллостерический лиганд модулирует активацию рецептора его первичным (ортостерическим) лигандом, и можно думать, что он действует как диммер в электрической цепи, регулируя интенсивность реакции.

Например, рецептор GABAA имеет два активных сайта, которые связывает нейротрансмиттер гамма-аминомасляной кислоты (GABA), но также имеет бензодиазепин и регуляторные сайты связывания общего анестетика. Каждый из этих регуляторных сайтов может вызывать положительную аллостерическую модуляцию, усиливая активность ГАМК. Диазепам является агонистом в регуляторном сайте бензодиазепина, а его антидот флумазенил является антагонистом.

Более поздние примеры лекарств, которые аллостерически модулируют свои мишени, включают цинакальцет, имитирующий кальций, и маравирок для лечения ВИЧ.

Аллостерические участки как мишени для лекарств

Аллостерические сайты могут представлять собой новое лекарственное средство-мишень. Существует ряд преимуществ использования аллостерических модуляторов в качестве предпочтительных терапевтических агентов по сравнению с классическими ортостерическими лигандами. Например, сайты аллостерического связывания G-белок-связанного рецептора (GPCR) не сталкивались с тем же эволюционным давлением, что и ортостерические сайты для размещения эндогенного лиганда, поэтому они более разнообразны. Следовательно, более высокая селективность GPCR может быть достигнута путем нацеливания на аллостерические сайты. Это особенно полезно для GPCR, где селективная ортостерическая терапия была затруднена из-за сохранения последовательности ортостерического сайта по подтипам рецепторов. Кроме того, эти модуляторы обладают пониженным потенциалом токсических эффектов, поскольку модуляторы с ограниченной кооперативностью будут иметь максимальный уровень их действия независимо от введенной дозы. Другой тип фармакологической селективности, который уникален для аллостерических модуляторов, основан на кооперативности. Аллостерический модулятор может проявлять нейтральную совместимость с ортостерическим лигандом во всех подтипах данного рецептора, кроме интересующего подтипа, который называется «абсолютная селективность подтипа». Если аллостерический модулятор не обладает заметной эффективностью, он может обеспечить еще одно мощное терапевтическое преимущество по сравнению с ортостерическими лигандами, а именно способность селективно настраивать или ослаблять тканевые реакции только при наличии эндогенного агониста. Специфичные для олигомеров сайты связывания малых молекул являются лекарственными мишенями для медицинских морфеинов.

Синтетические аллостерические системы

Существует много синтетических соединений, содержащих несколько нековалентных сайтов связывания, которые проявляют конформационные изменения при заполнении одного сайта. Кооперативность между одиночными связывающими вкладами в таких надмолекулярных системах является положительной, если занятие одного сайта связывания увеличивает аффинность G во втором сайте, и отрицательной, если аффинность снижается. Большинство синтетических аллостерических комплексов полагаются на конформационную реорганизацию при связывании одного эффекторного лиганда, которая затем приводит к усиленной или ослабленной ассоциации второго лиганда в другом сайте связывания. Конформационная связь между несколькими сайтами связывания в искусственных системах обычно намного больше, чем в белках с их обычно большей гибкостью. Параметр, который определяет эффективность (измеряемый отношением констант равновесия Krel = KA (E) / KA в присутствии и в отсутствие эффектора E), представляет собой конформационную энергию, необходимую для принятия закрытой или деформированной конформации для связывания лиганда. A.

Во многих мультивалентных супрамолекулярных системах может происходить прямое взаимодействие между связанными лигандами, что может привести к большой кооперативности. Наиболее распространенным является такое прямое взаимодействие между ионами в рецепторах для ионных пар. Это сотрудничество часто также называют аллостерией, хотя конформационные изменения здесь не обязательно вызывают события связывания.

Интернет ресурсы

Аллостерическая база данных

Аллостерия - это прямое и эффективное средство для регуляции биологической функции макромолекул, возникающее в результате связывания лиганда в аллостерическом участке, топографически отличном от ортостерического. Ожидается, что из-за часто высокой селективности в отношении рецепторов и более низкой токсичности на основе мишеней аллостерическая регуляция будет играть все большую роль в открытии лекарственных средств и биоинженерии. База данных AlloSteric (ASD, http://mdl.shsmu.edu.cn/ASD) предоставляет центральный ресурс для отображения, поиска и анализа структуры, функций и связанных аннотаций для аллостерических молекул. В настоящее время ASD содержит аллостерические белки из более чем 100 видов и модуляторы в трех категориях (активаторы, ингибиторы и регуляторы). Каждый белок аннотирован подробным описанием аллостерии, биологического процесса и связанных с ним заболеваний, а также каждого модулятора с аффинностью связывания, физико-химическими свойствами и терапевтической областью. Интеграция информации об аллостерических белках в ASD должна позволить прогнозировать аллостерию для неизвестных белков с последующей экспериментальной проверкой. Кроме того, модуляторы, курируемые в ASD, могут использоваться для исследования потенциальных аллостерических мишеней для запрашиваемого соединения, и могут помочь химикам внедрять модификации структуры для разработки новых аллостерических лекарств.

Аллостерические остатки и их прогноз

Не все белковые остатки играют одинаково важную роль в аллостерической регуляции. Идентификация остатков, которые необходимы для аллостерии (так называемые «аллостерические остатки»), была в центре внимания многих исследований, особенно в последнее десятилетие. Частично этот растущий интерес является результатом их общего значения в науке о белке, а также потому, что аллостерические остатки могут использоваться в биомедицинских контекстах. Фармакологически важные белки с труднодоступными сайтами могут приводить к подходам, в которых альтернативно нацелены на легкодоступные остатки, которые способны аллостерически регулировать первичный сайт, представляющий интерес. Эти остатки можно широко классифицировать как поверхностные и внутренние аллостерические аминокислоты. Аллостерические участки на поверхности, как правило, играют регулирующие роли, которые принципиально отличаются от тех, что внутри; поверхностные остатки могут служить рецепторами или эффекторными участками при передаче аллостерического сигнала, тогда как остатки внутри могут действовать для передачи таких сигналов.


просмотров: 146