- Storia
- Meccanismi di azione ed esempi
- -Caratteristiche dei modelli MWC e KNF di regolazione allosterica
- Modello MWC
- Modello KNF
- Il modello MWC e gli enzimi allosterici (o enzimi regolatori allosterici)
- A House of
- PFK - 1
- Il modello MWC è comune, ma non universale
- Gli studi sulla struttura della glucochinasi hanno supportato il modello mnemonico
- Applicazioni di allosterismo
- Riferimenti
Un enzima allosterico (dal greco: allo, diverso + stereo, spazio tridimensionale) è una proteina in cui avvengono interazioni indirette tra siti topograficamente diversi, mediante il legame di substrati e molecole regolatrici (ligandi).
Il legame di un ligando a un sito specifico è influenzato dal legame di un altro ligando effettore (o ligando modulatore) a un sito diverso (allosterico) sull'enzima. Questo è noto come interazioni allosteriche o interazioni cooperative.
Esempio di un enzima. Fonte: Thomas Shafee
Quando il ligando effettore aumenta l'affinità di legame di un altro ligando per l'enzima, la cooperatività è positiva. Quando l'affinità diminuisce, la cooperatività è negativa. Se due ligandi identici partecipano all'interazione cooperativa, l'effetto è omotropico e se i due ligandi sono diversi, l'effetto è eterotropo.
L'interazione cooperativa produce cambiamenti reversibili nella struttura molecolare dell'enzima, a livello di struttura terziaria e quaternaria. Questi cambiamenti sono noti come cambiamenti conformazionali.
Storia
Il concetto di interazione allosterica è emerso più di 50 anni fa. Si è evoluto nel tempo, ovvero:
-Nel 1903 fu osservata la curva sigmoidale di legame dell'emoglobina all'ossigeno.
-Nel 1910, la curva sigmoidale di O 2 che si lega all'emoglobina fu descritta matematicamente usando l'equazione di Hill.
-Nel 1954, Novick e Szilard hanno dimostrato che un enzima situato all'inizio di un percorso metabolico era inibito dal prodotto finale di questo percorso, noto come feedback negativo.
-Nel 1956, Umbarger scoprì che la L-treonina deaminasi, il primo enzima della via di biosintesi della L-isoleucina, era inibita dalla L-isoleucina e che non mostrava la tipica cinetica di Michaelis-Menten con una curva iperbolica, piuttosto aveva una curva sigmoidale.
-Nel 1963, Perutz et al., Scoprirono attraverso i raggi X cambiamenti conformazionali nella struttura dell'emoglobina quando si lega all'ossigeno. Monod e Jacob hanno ribattezzato i siti di regolamentazione "siti allosterici".
-Nel 1965, Monod, Wyman e Changeux hanno proposto il modello simmetrico, o modello MWC (lettere iniziali di Monod, Wyman e Changeux) per spiegare le interazioni allosteriche.
-Nel 1966, Koshland, Nemethy e Filmer hanno proposto il modello di accoppiamento sequenziale o indotto, o modello KNF, per spiegare le interazioni allosteriche.
-Nel 1988, la struttura a raggi X dell'aspartato transcarbamilasi ha dimostrato il modello simmetrico postulato da Monod, Wyman e Changeux.
-Negli anni '90, le mutazioni, le modificazioni covalenti e le variazioni di pH sono state considerate effettori allosterici.
-Nel 1996, la struttura a raggi X del repressore lac ha mostrato transizioni allosteriche.
Meccanismi di azione ed esempi
-Caratteristiche dei modelli MWC e KNF di regolazione allosterica
Modello MWC
L'ipotesi originale del modello MWC proponeva quanto segue (Monod, Wyman, Changeux, 1965)
Le proteine allosteriche sono oligomeri costituiti da protomeri simmetricamente correlati. I protomeri sono costituiti da catene o subunità polipeptidiche.
Gli oligomeri hanno almeno due stati di conformazione (R e T). Entrambi gli stati (della struttura quaternaria) stabiliscono spontaneamente un equilibrio, con o senza legante legato.
Quando si verifica il passaggio da uno stato all'altro, la simmetria viene preservata e l'affinità di un sito (o più) siti stereospecifici per un ligando viene alterata.
In questo modo, il legame cooperativo dei ligandi deriva dall'interazione cooperativa tra le subunità.
Modello KNF
L'ipotesi del modello KNF ha proposto quanto segue (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): il legame del ligando produce un cambiamento nella struttura terziaria in una subunità. Questo cambiamento di conformazione colpisce le sottounità vicine.
L'affinità di legame del ligando proteico dipende dal numero di ligandi che tiene insieme. Pertanto, le proteine allosteriche hanno più stati conformazionali che includono stati intermedi.
Negli ultimi cinque decenni, i modelli MWC e KNF sono stati valutati attraverso studi biochimici e strutturali. È stato dimostrato che numerose proteine allosteriche, inclusi gli enzimi, sono conformi a quanto proposto nel modello MWC, sebbene ci siano delle eccezioni.
Il modello MWC e gli enzimi allosterici (o enzimi regolatori allosterici)
Gli enzimi allosterici sono spesso più grandi e più complessi degli enzimi non allosterici. L'aspartato transcarbamilasi (Asp transcarbamilasi o ATCase) e fosfofruttochinasi-1 (PFK-1) sono esempi classici di enzimi allosterici conformi al modello MWC.
A House of
ATCase catalizza la prima reazione della via di biosintesi del nucleotide pirimidinico (CTP e UTP) e utilizza Asp come substrato. La struttura di ATCase è costituita da subunità catalitiche e regolatrici. L'ATCase ha due stati conformazionali R e T. La simmetria tra questi due stati è conservata.
La cinetica di ATCase (il tasso iniziale di ATCase con diverse concentrazioni di aspartato) è caratterizzata da una curva sigmoidea. Ciò indica che ATCasa ha un comportamento cooperativo.
ATCase è un feedback inibito dal CTP. La curva sigmoidea di ATCase, in presenza di CTP, è a destra della curva sigmoidea di ATCase in assenza di CTP. Si evidenzia un aumento del valore della costante di Michaelis-Menten (K m ).
Cioè, in presenza di CTP, ATCase richiede una maggiore concentrazione di aspartato per raggiungere la metà della velocità massima (V max ), rispetto ad ATCase in assenza di CTP.
In conclusione, il CTP è un effettore allosterico negativo eterotropo perché diminuisce l'affinità di ATCase per l'aspartato. Questo comportamento è noto come cooperatività negativa.
PFK - 1
PFK-1 catalizza la terza reazione della via della glicolisi. Questa reazione consiste nel trasferimento di un gruppo fosfato dall'ATP al fruttosio 6-fosfato. La struttura di PFK-1 è un tetramero, che mostra due stati conformazionali R e T. La simmetria tra questi due stati è conservata.
La cinetica di PFK-1 (la velocità iniziale con diverse concentrazioni di fruttosio 6-fosfato) mostra una curva sigmoidea. PFK-1 è soggetto a una complessa regolazione allosterica da parte di ATP, AMP e fruttosio-2,6-bisfosfato, ovvero:
La curva sigmoidea di PFK-1, in presenza di un'alta concentrazione di ATP, si trova a destra della curva sigmoidea a bassa concentrazione di ATP (Figura 4). Si evidenzia un aumento del valore della costante di Michaelis-Menten (K m ).
In presenza di un'elevata concentrazione di ATP, PFK-1 richiede una maggiore concentrazione di fruttosio 6-fosfato per raggiungere la metà della velocità massima (V max ).
In conclusione, l'ATP, oltre ad essere un substrato, è un effettore allosterico eterotropo negativo perché diminuisce l'affinità di PFK-1 per il fruttosio 6-fosfato.
La curva sigmoidea di PFK-1, in presenza di AMP, si trova a sinistra della curva sigmoidea di PFK-1 in presenza di ATP. Cioè, AMP elimina l'effetto inibitorio dell'ATP.
In presenza di AMP, PFK-1 richiede una concentrazione inferiore di fruttosio 6-fosfato per raggiungere la metà della velocità massima (V max ). Ciò si manifesta nel fatto che c'è una diminuzione del valore della costante di Michaelis-Menten (K m ).
In conclusione, AMP è un effettore allosterico eterotropo positivo perché aumenta l'affinità di legame di PFK-1 per il fruttosio 6-fosfato. Il fruttosio-2,6-bisfosfato (F2,6BP) è un potente attivatore allosterico di PFK-1 (Figura 5) e il suo comportamento è simile a quello di AMP.
Il modello MWC è comune, ma non universale
Delle strutture proteiche totali depositate in PDB (Protein data bank), metà sono oligomeri e l'altra metà sono monomeri. È stato dimostrato che la cooperatività non richiede più ligandi o l'assemblaggio di più subunità. Questo è il caso della glucochinasi e di altri enzimi.
La glucochinasi è monomerica, ha una catena polipeptidica e mostra una cinetica sigmoidale in risposta all'aumento della concentrazione di glucosio nel sangue (Porter e Miller, 2012; Kamata et al., 2004).
Esistono diversi modelli che spiegano la cinetica cooperativa negli enzimi monomerici, vale a dire: modello mnemonico, modello di transizione lenta indotta da ligando, aggiunta casuale di substrati nelle reazioni biomolecolari, tipi di cambiamenti conformazionali lenti, tra gli altri.
Gli studi sulla struttura della glucochinasi hanno supportato il modello mnemonico
La glucochinasi umana normale ha un K m di 8 mM per il glucosio. Questo valore è vicino alla concentrazione di glucosio nel sangue.
Ci sono pazienti che soffrono di iperinsulinemia infantile resistente al piede (PHHI). La glucochinasi di questi pazienti ha un K m inferiore per il glucosio rispetto alle normali glucochinasi e la cooperatività è significativamente ridotta.
Di conseguenza, questi pazienti possiedono una variante della glucochinasi che è iperattiva, che nei casi gravi può essere fatale.
Applicazioni di allosterismo
L'allostria e la catalisi sono strettamente collegate. Per questo motivo, gli effetti allosterici possono influenzare le caratteristiche della catalisi come il legame del ligando, il rilascio del ligando.
I siti di legame allosterico possono essere bersagli per nuovi farmaci. Questo perché l'effettore allosterico può influenzare la funzione dell'enzima. L'identificazione dei siti allosterici è il primo passo nella scoperta di farmaci che migliorano la funzione enzimatica.
Riferimenti
- Changeux, JP 2012. Allostery e il modello Monod-Wyman-Changeux Dopo 50 anni. Revisione annuale di biofisica e struttura biomolecolare, 41: 103–133.
- Changeux, JP 2013. 50 anni di interazioni allosteriche: i colpi di scena dei modelli. Biologia cellulare molecolare, in Nature Reviews, 14: 1–11.
- Goodey, NM e Benkovic, SJ 2008. Regolazione e catalisi allosteriche emergono attraverso un percorso comune. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
- Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Basi strutturali per la regolazione allosterica dell'enzima allosterico monomerico glucochinasi umana. Struttura, 12: 429–438.
- Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Confronto di dati di legame sperimentali e modelli teorici nelle proteine contenenti subunità. Biochimica, 5: 365-385.
- Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Sulla natura delle transizioni allosteriche: un modello plausibile. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
- Nelson, DL e Cox, MM, 2008. Lehninger - Principles of Biochemistry. WH Freeman and Company, New York.
- Porter, CM e Miller, BG 2012. Cooperatività in enzimi monomerici con singoli siti di legame del ligando. Chimica bioorganica, 43: 44-50.
- Voet, D. e Voet, J. 2004. Biochemistry. John Wiley and Sons, Stati Uniti.