ลักษณะของเอนไซม์ ALLOSTERIC กลไกการออกฤทธิ์ตัวอย่าง - ชีววิทยา - 2026

เอนไซม์ allosteric (จากกรีก: สวัสดี, สเตอริโอ + ที่แตกต่างกันพื้นที่สามมิติ) เป็นโปรตีนที่มีปฏิสัมพันธ์ทางอ้อมที่เกิดขึ้นระหว่างเว็บไซต์ที่แตกต่างกัน topographically โดยมีผลผูกพันของพื้นผิวและโมเลกุลกฎระเบียบ (แกนด์บริการ)

การผูกของลิแกนด์กับไซต์เฉพาะนั้นได้รับอิทธิพลจากการผูกของลิแกนด์เอฟเฟกต์อื่น (หรือลิแกนด์โมดูเลเตอร์) กับไซต์อื่น (อัลโลสเตอริก) บนเอนไซม์ สิ่งนี้เรียกว่าการโต้ตอบแบบ allosteric หรือการโต้ตอบแบบร่วมมือ

ตัวอย่างของเอนไซม์ ที่มา: Thomas Shafee

เมื่อลิแกนด์เอฟเฟกต์เพิ่มความสัมพันธ์ที่มีผลผูกพันของลิแกนด์อื่นกับเอนไซม์ความร่วมมือจะเป็นบวก เมื่อความสัมพันธ์ลดลงความร่วมมือจะเป็นลบ หากลิแกนด์ที่เหมือนกันสองตัวมีส่วนร่วมในปฏิสัมพันธ์แบบร่วมมือผลที่ได้คือโฮโมโทรปิกและถ้าลิแกนด์ทั้งสองแตกต่างกันผลที่ได้คือเฮเทอโรโทรปิก

ปฏิสัมพันธ์แบบร่วมมือก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลของเอนไซม์ในระดับโครงสร้างตติยภูมิและควอเทอร์นารี การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงตามรูปแบบ

ประวัติศาสตร์

แนวคิดเรื่องปฏิสัมพันธ์แบบ Allosteric เกิดขึ้นเมื่อกว่า 50 ปีที่แล้ว มีการพัฒนาไปตามกาลเวลากล่าวคือ:

- ในปีพ. ศ. 2446 มีการสังเกตเส้นโค้งซิกมอยด์ของการจับฮีโมโกลบินกับออกซิเจน

- ในปีพ. ศ. 2453 เส้นโค้ง sigmoidal ของ O _{2 ที่}จับกับฮีโมโกลบินได้รับการอธิบายทางคณิตศาสตร์โดยใช้สมการของ Hill

- ในปีพ. ศ. 2497 Novick และ Szilard แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์ที่อยู่ที่จุดเริ่มต้นของเส้นทางการเผาผลาญถูกยับยั้งโดยผลิตภัณฑ์สุดท้ายของเส้นทางนี้ซึ่งเรียกว่าข้อเสนอแนะเชิงลบ

- ในปีพ. ศ. 2499 อัมบาร์เกอร์ค้นพบว่า L-threonine deaminase ซึ่งเป็นเอนไซม์ตัวแรกของเส้นทางการสังเคราะห์ทางชีวภาพของ L-isoleucine ถูกยับยั้งโดย L-isoleucine และไม่ได้แสดงจลนพลศาสตร์ Michaelis-Menten ทั่วไปที่มีเส้นโค้งไฮเพอร์โบลิก ค่อนข้างจะมีเส้นโค้งซิกมอยด์

- ในปีพ. ศ. 2506 Perutz et al. ค้นพบจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของฮีโมโกลบินตามรูปแบบรังสีเอกซ์เมื่อจับกับออกซิเจน Monod และ Jacob เปลี่ยนชื่อไซต์กำกับดูแลเป็น "allosteric sites"

- ในปี 1965 Monod, Wyman และ Changeux ได้เสนอโมเดลสมมาตรหรือแบบจำลอง MWC (อักษรย่อของ Monod, Wyman และ Changeux) เพื่ออธิบายปฏิสัมพันธ์เชิงอนุพันธ์

- ในปีพ. ศ. 2509 Koshland, Nemethy และ Filmer ได้เสนอรูปแบบการมีเพศสัมพันธ์ตามลำดับหรือแบบเหนี่ยวนำหรือแบบจำลอง KNF เพื่ออธิบายการโต้ตอบแบบ allosteric

- ในปีพ. ศ. 2531 โครงสร้างเอ็กซ์เรย์ของแอสพาเทตทรานคาร์บาไมเลสแสดงให้เห็นถึงแบบจำลองสมมาตรโดย Monod, Wyman และ Changeux

- ในทศวรรษที่ 1990 การกลายพันธุ์การปรับเปลี่ยนโควาเลนต์และการเปลี่ยนแปลง pH ถือเป็นผลกระทบทั้งหมด

- ในปีพ. ศ. 2539 โครงสร้าง X-ray ของเครื่องบีบอัดครั่งแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนผ่านของ allosteric

กลไกของการกระทำและตัวอย่าง

- ลักษณะเฉพาะของโมเดล MWC และ KNF ของกฎระเบียบ allosteric

MWC รุ่น

สมมติฐานดั้งเดิมของแบบจำลอง MWC เสนอสิ่งต่อไปนี้ (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

โปรตีน Allosteric คือโอลิโกเมอร์ที่ประกอบด้วยโปรโตเมอร์ที่สัมพันธ์กันแบบสมมาตร โปรโตเมอร์ประกอบด้วยโซ่โพลีเปปไทด์หรือหน่วยย่อย

oligomers มีอย่างน้อยสองสถานะโครงสร้าง (R และ T) ทั้งสองสถานะ (ของโครงสร้างควอเทอร์นารี) สร้างสมดุลตามธรรมชาติโดยมีหรือไม่มีลิแกนด์ที่ถูกผูกไว้

เมื่อการเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปเป็นอีกสถานะหนึ่งเกิดขึ้นความสมมาตรจะถูกเก็บรักษาไว้และความสัมพันธ์ของไซต์ (หรือหลายไซต์) ที่เฉพาะเจาะจงสำหรับลิแกนด์จะถูกเปลี่ยนแปลง

ด้วยวิธีนี้การผูกแบบร่วมมือของแกนด์ตามมาจากปฏิสัมพันธ์แบบร่วมมือระหว่างหน่วยย่อย

KNF รุ่น

สมมติฐานแบบจำลอง KNF เสนอสิ่งต่อไปนี้ (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): การผูกแบบลิแกนด์ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างตติยภูมิในหน่วยย่อย การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างนี้มีผลต่อหน่วยย่อยที่อยู่ใกล้เคียง

ความสัมพันธ์ที่มีผลผูกพันของลิแกนด์ของโปรตีนขึ้นอยู่กับจำนวนของลิแกนด์ที่จับกัน ดังนั้นโปรตีนอัลโลสเตอริกจึงมีสถานะตามรูปแบบหลายอย่างซึ่งรวมถึงสถานะระดับกลาง

ในช่วงห้าทศวรรษที่ผ่านมาแบบจำลอง MWC และ KNF ได้รับการประเมินผ่านการศึกษาทางชีวเคมีและโครงสร้าง แสดงให้เห็นว่าโปรตีน allosteric จำนวนมากรวมทั้งเอนไซม์สอดคล้องกับข้อเสนอในแบบจำลอง MWC แม้ว่าจะมีข้อยกเว้นก็ตาม

แบบจำลอง MWC และเอนไซม์ allosteric (หรือเอนไซม์ควบคุม allosteric)

เอนไซม์อัลโลสเตอริกมักมีขนาดใหญ่และซับซ้อนกว่าเอนไซม์ที่ไม่ใช่อัลโลสเตอริก Aspartate transcarbamylase (Asp transcarbamylase หรือ ATCase) และ phosphofructokinase-1 (PFK-1) เป็นตัวอย่างคลาสสิกของเอนไซม์ allosteric ที่สอดคล้องกับแบบจำลอง MWC

ที่บ้านของ

ATCase เร่งปฏิกิริยาแรกของเส้นทางการสังเคราะห์ทางชีวภาพของไพริมิดีนนิวคลีโอไทด์ (CTP และ UTP) และใช้ Asp เป็นสารตั้งต้น โครงสร้างของ ATCase ประกอบด้วยหน่วยย่อยของตัวเร่งปฏิกิริยาและการกำกับดูแล ATCase มีสองสถานะตามรูปแบบ R และ T สมมาตรระหว่างสองสถานะนี้ได้รับการอนุรักษ์

จลนศาสตร์ของ ATCase (อัตราเริ่มต้นของ ATCase ที่มีความเข้มข้นต่างกันของแอสพาเทต) มีลักษณะเป็นเส้นโค้งซิกมอยด์ สิ่งนี้บ่งชี้ว่า ATCasa มีพฤติกรรมร่วมมือกัน

ATCase เป็นข้อเสนอแนะที่ถูกยับยั้งโดย CTP เส้นโค้งซิกมอยด์ของ ATCase ต่อหน้า CTP อยู่ทางด้านขวาของเส้นโค้งซิกมอยด์ของ ATCase ในกรณีที่ไม่มี CTP การเพิ่มขึ้นของค่าคงที่ Michaelis-Menten (K _m ) เป็นหลักฐาน

นั่นคือต่อหน้า CTP ATCase ต้องการความเข้มข้นของแอสพาเทตที่สูงขึ้นเพื่อให้ถึงครึ่งหนึ่งของอัตราสูงสุด (V _{สูงสุด} ) เมื่อเทียบกับ ATCase ในกรณีที่ไม่มี CTP

สรุปได้ว่า CTP เป็นเอฟเฟกต์อัลโลสเตตเชิงลบของเฮเทอโรโทรปิกเนื่องจากลดความสัมพันธ์ของ ATCase สำหรับแอสพาเทต พฤติกรรมนี้เรียกว่าความร่วมมือเชิงลบ

PFK - 1

PFK-1 เร่งปฏิกิริยาที่สามของวิถีไกลโคไลซิส ปฏิกิริยานี้ประกอบด้วยการถ่ายโอนหมู่ฟอสเฟตจาก ATP ไปยังฟรุกโตส 6- ฟอสเฟต โครงสร้างของ PFK-1 เป็น tetramer ซึ่งแสดงสองสถานะตามรูปแบบ R และ T ความสมมาตรระหว่างสองสถานะนี้ได้รับการอนุรักษ์ไว้

จลนศาสตร์ของ PFK-1 (อัตราเริ่มต้นที่มีความเข้มข้นต่างกันของฟรุกโตส 6 - ฟอสเฟต) แสดงเส้นโค้งซิกมอยด์ PFK-1 อยู่ภายใต้การควบคุม allosteric ที่ซับซ้อนโดย ATP, AMP และ frutose-2,6-bisphosphate ได้แก่ :

เส้นโค้งซิกมอยด์ของ PFK-1 ต่อหน้าความเข้มข้นของ ATP สูงอยู่ทางขวาของเส้นโค้งซิกมอยด์ที่ความเข้มข้นของ ATP ต่ำ (รูปที่ 4) การเพิ่มขึ้นของค่าคงที่ Michaelis-Menten (K _m ) เป็นหลักฐาน

ในกรณีที่ ATP มีความเข้มข้นสูง PFK-1 ต้องใช้ฟรุกโตส 6 - ฟอสเฟตที่มีความเข้มข้นสูงขึ้นเพื่อให้ได้อัตราสูงสุดครึ่งหนึ่ง (V _{สูงสุด} )

สรุปได้ว่า ATP นอกเหนือจากการเป็นสารตั้งต้นแล้วยังเป็นเอฟเฟกต์เฮเทอโรโทรปิกอัลโลสเตอริกที่เป็นลบเนื่องจากลดความสัมพันธ์ของ PFK-1 สำหรับฟรุกโตส 6 - ฟอสเฟต

เส้นโค้งซิกมอยด์ของ PFK-1 ต่อหน้า AMP อยู่ทางด้านซ้ายของเส้นโค้งซิกมอยด์ของ PFK-1 ต่อหน้า ATP นั่นคือ AMP จะกำจัดเอฟเฟกต์การยับยั้งของ ATP

ต่อหน้า AMP PFK-1 ต้องการความเข้มข้นของฟรุกโตส 6 - ฟอสเฟตที่ต่ำกว่าเพื่อให้ได้อัตราสูงสุดครึ่งหนึ่ง ( _{สูงสุด} V ) นี่เป็นที่ประจักษ์ในความจริงที่ว่ามีการลดลงของค่าคงที่ Michaelis-Menten (K _m )

สรุปได้ว่า AMP เป็นเอฟเฟกต์ heterotropic allosteric ในเชิงบวกเนื่องจากเพิ่มความสัมพันธ์ที่มีผลผูกพันของ PFK-1 สำหรับฟรุกโตส 6 - ฟอสเฟต Frutose-2,6-bisphosphate (F2,6BP) เป็นตัวกระตุ้น allosteric ที่มีศักยภาพของ PFK-1 (รูปที่ 5) และพฤติกรรมของมันก็คล้ายกับ AMP

โมเดล MWC เป็นเรื่องธรรมดา แต่ไม่ใช่แบบสากล

จากโครงสร้างโปรตีนทั้งหมดที่ฝากไว้ใน PDB (ธนาคารข้อมูลโปรตีน) ครึ่งหนึ่งเป็นโอลิโกเมอร์และอีกครึ่งหนึ่งเป็นโมโนเมอร์ แสดงให้เห็นว่าการทำงานร่วมกันไม่จำเป็นต้องมีแกนด์หลายแกนหรือการประกอบของหน่วยย่อยหลายหน่วย นี่เป็นกรณีของกลูโคไคเนสและเอนไซม์อื่น ๆ

กลูโคไคเนสเป็นโมโนเมอริกมีโซ่โพลีเปปไทด์และจัดแสดงจลนศาสตร์ของ sigmoidal เพื่อตอบสนองต่อความเข้มข้นของกลูโคสในเลือดที่เพิ่มขึ้น (Porter and Miller, 2012; Kamata et al., 2004)

มีแบบจำลองที่แตกต่างกันที่อธิบายจลนศาสตร์แบบร่วมมือในเอนไซม์โมโนเมอริก ได้แก่ แบบจำลองช่วยในการจำ, แบบจำลองการเปลี่ยนแปลงช้าที่เกิดจากลิแกนด์, การเพิ่มสารตั้งต้นแบบสุ่มในปฏิกิริยาทางชีวโมเลกุล, ประเภทของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอย่างช้าๆเป็นต้น

การศึกษาโครงสร้างของกลูโคไคเนสสนับสนุนแบบจำลองช่วยในการจำ

กลูโคไคเนสของมนุษย์ปกติมีกลูโคสK _mเท่ากับ 8 mM ค่านี้ใกล้เคียงกับความเข้มข้นของกลูโคสในเลือด

มีผู้ป่วยที่ต้องทนทุกข์ทรมานจากภาวะ hyperinsulinemia ในวัยเด็กที่ดื้อต่อ pes (PHHI) glucokinase ของผู้ป่วยเหล่านี้มีค่า K _mสำหรับกลูโคสต่ำกว่ากลูโคไคเนสปกติและความร่วมมือจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

ดังนั้นผู้ป่วยเหล่านี้จึงมีตัวแปรกลูโคไคเนสซึ่งเป็นสมาธิสั้นซึ่งในกรณีที่รุนแรงอาจถึงแก่ชีวิตได้

แอพพลิเคชั่นของ Allosterism

Allostry และ catalysis เชื่อมโยงกันอย่างใกล้ชิด ด้วยเหตุนี้ผลกระทบของอัลโลสเตอริกจึงมีผลต่อลักษณะการเร่งปฏิกิริยาเช่นการจับลิแกนด์การปลดปล่อยแกนด์

ไซต์ที่มีผลผูกพัน Allosteric อาจเป็นเป้าหมายสำหรับยาใหม่ เนื่องจาก Allosteric effector สามารถมีอิทธิพลต่อการทำงานของเอนไซม์ การระบุไซต์อัลโลสเตอริกเป็นขั้นตอนแรกในการค้นพบยาที่ช่วยเพิ่มการทำงานของเอนไซม์

อ้างอิง

1. Changeux, JP 2012 Allostery และโมเดล Monod-Wyman-Changeux หลังจาก 50 ปี การทบทวนชีวฟิสิกส์และโครงสร้างชีวโมเลกุลประจำปี, 41: 103–133
2. Changeux, JP 2013 50 ปีของการมีปฏิสัมพันธ์แบบ Allosteric: การบิดและเปลี่ยนของโมเดล Molecular Cell Biology ใน Nature Reviews, 14: 1–11
3. Goodey, NM และ Benkovic, SJ 2008 กฎระเบียบและการเร่งปฏิกิริยาแบบ Allosteric เกิดขึ้นผ่านเส้นทางร่วมกัน ชีววิทยาเคมีธรรมชาติ, 4: 274-482
4. Kamata, K. , Mitsuya, M. , Nishimura, T. , Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. โครงสร้างพื้นฐานสำหรับการควบคุม allosteric ของเอนไซม์ monomeric allosteric human glucokinase โครงสร้าง, 12: 429–438
5. Koshland, DE Jr. , Nemethy, G. , Filmer, D. ชีวเคมี 5: 365-385
6. Monod, J. , Wyman, J. , Changeux, JP 1965 เกี่ยวกับลักษณะของการเปลี่ยนแปลงแบบ allosteric: แบบจำลองที่เป็นไปได้ วารสารอณูชีววิทยา, 12: 88–118
7. Nelson, DL และ Cox, MM, 2008 Lehninger - หลักการทางชีวเคมี WH Freeman and Company, นิวยอร์ก
8. Porter, CM และ Miller, BG 2012 ความร่วมมือในเอนไซม์โมโนเมอริกที่มีไซต์ที่มีผลผูกพันลิแกนด์เดี่ยว เคมีชีวภาพ, 43: 44-50
9. Voet, D. และ Voet, J. 2004. ชีวเคมี. John Wiley and Sons, USA.