Allosterisk reglering - Allosteric regulation

Allosterisk reglering av ett enzym

Inom biokemi är allosterisk reglering (eller allosterisk kontroll ) regleringen av ett enzym genom att binda en effektormolekyl på en annan plats än enzymets aktiva plats .

Platsen till vilken effektor binder kallas allosterisk plats eller regulatorisk plats . Allosteriska platser tillåter effektorer att binda till proteinet, vilket ofta resulterar i en konformationsförändring som involverar proteindynamik . Effektorer som förstärker proteinets aktivitet kallas allosteriska aktivatorer , medan de som minskar proteinets aktivitet kallas allosteriska hämmare .

Allosteriska bestämmelser är ett naturligt exempel på kontrollslingor, till exempel feedback från nedströms produkter eller frammatning från uppströms substrat. Långdistansfördelning är särskilt viktigt vid cellsignalering . Allosterisk reglering är också särskilt viktig för cellens förmåga att justera enzymaktivitet .

Begreppet allostery kommer från de antika grekiska allos ( ἄλλος ), "andra" och stereos ( στερεὀς ), "fasta (objekt)". Detta hänvisar till det faktum att regleringsstället för ett allosteriskt protein skiljer sig fysiskt från dess aktiva plats.

Modeller

A - Aktiv plats
B - Allosterisk plats
C - Substrat
D - Inhibitor
E - Enzym
Detta är ett diagram över allosterisk reglering av ett enzym.

Många allosteriska effekter kan förklaras av den samordnade MWC -modellen som presenteras av Monod, Wyman och Changeux , eller av den sekventiella modellen (även känd som KNF -modellen) som beskrivs av Koshland, Nemethy och Filmer. Båda postulerar att proteinsubenheter finns i en av två konformationer , spända (T) eller avslappnade (R), och att avslappnade subenheter binder substrat lättare än de i det spända tillståndet. De två modellerna skiljer sig mest i sina antaganden om subenhetsinteraktion och förekomsten av båda delstaterna. För proteiner där subenheter finns i mer än två konformationer kan allostery -landskapsmodellen som beskrivs av Cuendet, Weinstein och LeVine användas.

Samordnad modell

Den samordnade allostery -modellen, även kallad symmetri -modellen eller MWC -modellen , postulerar att enzymunderenheter är anslutna på ett sådant sätt att en konformationsförändring i en subenhet nödvändigtvis ges till alla andra subenheter. Således måste alla subenheter existera i samma konformation. Modellen anser vidare att i avsaknad av någon ligand (substrat eller på annat sätt) gynnar jämvikten ett av konformationstillstånden, T eller R. Jämvikten kan förskjutas till R- eller T -tillståndet genom bindning av en ligand ( allosterisk effektor eller ligand) till ett ställe som skiljer sig från det aktiva stället (det allosteriska stället).

Sekventiell modell

Den sekventiella modellen för allosterisk reglering hävdar att subenheter inte är sammankopplade på ett sådant sätt att en konformationsförändring i en inducerar en liknande förändring i de andra. Således kräver alla enzymunderenheter inte samma konformation. Dessutom dikterar den sekventiella modellen att molekyler i ett substrat binder via ett inducerat passformsprotokoll . Medan en sådan inducerad passform konverterar en subenhet från det spända tillståndet till avslappnat tillstånd, sprider den inte konformationsändringen till angränsande subenheter. I stället förändrar substratbindning vid en subenhet bara strukturen hos andra subenheter något så att deras bindningsställen är mer mottagliga för substrat. För att sammanfatta:

  • subenheter behöver inte existera i samma konformation
  • molekyler av substrat binder via inducerat passformsprotokoll
  • konformationsändringar sprids inte till alla underenheter

Morpheein modell

Den morpheein modell av allosterisk reglering är en dissociativ samordnad modell.

En morfein är en homo-oligomer struktur som kan existera som en samling av fysiologiskt signifikanta och funktionellt olika alternativa kvartära sammansättningar. Övergångar mellan alternativa morfeinaggregat innefattar oligomerdissociation, konformationsförändring i det dissocierade tillståndet och återmontering till en annan oligomer. Det erforderliga demonteringssteget för oligomer skiljer morpheein -modellen för allosterisk reglering från de klassiska MWC- och KNF -modellerna.

Porfobilinogensyntas (PBGS) är prototypen morfein.

Ensemblemodeller

Ensemblemodeller för allosterisk reglering räknar upp ett allosteriskt systems statistiska ensemble som en funktion av dess potentiella energifunktion och relaterar sedan specifika statistiska mätningar av allosteri till specifika energiterm i energifunktionen (t.ex. en intermolekylär saltbrygga mellan två domäner). Ensemblemodeller som ensemble -allosterisk modell och allosterisk Ising -modell förutsätter att varje domän i systemet kan anta två tillstånd som liknar MWC -modellen. Allostery landskapsmodellen som introducerades av Cuendet, Weinstein och LeVine gör det möjligt för domänerna att ha valfritt antal tillstånd och bidraget från en specifik molekylär interaktion till en given allosterisk koppling kan uppskattas med hjälp av en rigorös uppsättning regler. Molekylära dynamiksimuleringar kan användas för att uppskatta ett systems statistiska ensemble så att det kan analyseras med allostery landskapsmodellen.

Allosterisk modulering

Huvudartikel: Allosterisk modulator

Allosterisk modulering används för att ändra aktiviteten hos molekyler och enzymer inom biokemi och farmakologi. För jämförelse görs ett typiskt läkemedel för att binda till det aktiva stället för ett enzym, vilket sålunda förbjuder bindning av ett substrat till det enzymet, vilket orsakar en minskning av enzymaktiviteten. Allosterisk modulering uppstår när en effektor binder till en allosterisk plats (även känd som en regleringsplats) för ett enzym och förändrar enzymaktiviteten. Allosteriska modulatorer är utformade för att passa det allosteriska stället för att orsaka en konformationell förändring av enzymet, i synnerhet en förändring i formen av det aktiva stället, vilket sedan orsakar en förändring i dess aktivitet. Till skillnad från typiska läkemedel är modulatorer inte konkurrerande hämmare . De kan vara positiva (aktiverande) som orsakar en ökning av enzymaktiviteten eller negativa (hämmande) som orsakar en minskning av enzymaktiviteten. Användningen av allosterisk modulering möjliggör kontroll av effekterna av specifika enzymaktiviteter; som ett resultat är allosteriska modulatorer mycket effektiva inom farmakologi. I ett biologiskt system kan allosterisk modulering vara svår att skilja från modulering genom substratpresentation .

Energimätningsmodell

Ett exempel på denna modell ses med Mycobacterium tuberculosis , en bakterie som är perfekt lämpad för att anpassa sig till att leva i makrofager hos människor. Enzymets platser fungerar som en kommunikation mellan olika substrat. Specifikt mellan AMP och G6P . Sajter som dessa fungerar också som en avkänningsmekanism för enzymets prestanda.

Positiv modulering

Positiv allosterisk modulering (även känd som allosterisk aktivering ) uppstår när bindningen av en ligand ökar attraktionen mellan substratmolekyler och andra bindningsställen. Ett exempel är bindningen av syremolekyler till hemoglobin , där syre är effektivt både substratet och effektorn. Den allosteriska, eller "andra", platsen är den aktiva platsen för en angränsande proteinsubenhet . Bindningen av syre till en subenhet inducerar en konformationsförändring i den subenheten som interagerar med de återstående aktiva platserna för att förbättra deras syreaffinitet. Ett annat exempel på allosterisk aktivering ses i cytosolisk IMP-GMP-specifik 5'-nukleotidas II (cN-II), där affiniteten för substrat GMP ökar vid GTP-bindning vid dimergränssnittet.

Negativ modulering

Negativ allosterisk modulering (även känd som allosterisk inhibering ) uppstår när bindningen av en ligand minskar affiniteten för substrat vid andra aktiva platser. Till exempel, när 2,3-BPG binder till en allosterisk plats på hemoglobin, minskar affiniteten för syre för alla subenheter. Detta är när en regulator är frånvarande från bindningsstället.

Direkt trombinhämmare ger ett utmärkt exempel på negativ allosterisk modulering. Allosteriska trombinhämmare har upptäckts som potentiellt kan användas som antikoagulantia.

Ett annat exempel är stryknin , ett konvulsivt gift, som fungerar som en allosterisk hämmare av glycinreceptorn . Glycin är en viktig postsynaptisk hämmande neurotransmittor i däggdjurs ryggmärg och hjärnstam . Stryknin verkar på ett separat bindningsställe på glycinreceptorn på ett allosteriskt sätt; dvs dess bindning sänker affiniteten hos glycinreceptorn för glycin. Således hämmar stryknin verkan av en hämmande sändare, vilket leder till kramper.

En annan instans där negativ allosterisk modulering kan ses är mellan ATP och enzymet fosfofruktokinas i den negativa återkopplingsslingan som reglerar glykolys . Fosfofruktokinas (allmänt kallat PFK ) är ett enzym som katalyserar det tredje steget i glykolys: fosforyleringen av fruktos-6-fosfat till fruktos 1,6-bisfosfat . PFK kan allosteriskt hämmas av höga nivåer av ATP i cellen. När ATP-nivåerna är höga kommer ATP att binda till en allosteorisk plats på fosfofruktokinas , vilket orsakar en förändring av enzymets tredimensionella form. Denna förändring gör att dess affinitet för substrat ( fruktos-6-fosfat och ATP ) på det aktiva stället minskar och enzymet bedöms inaktivt. Detta gör att glykolysen upphör när ATP -nivåerna är höga, vilket bevarar kroppens glukos och bibehåller balanserade nivåer av cellulär ATP. På detta sätt fungerar ATP som en negativ allosterisk modulator för PFK, trots att det också är ett substrat för enzymet.

Typer

Homotropiskt

En homotropic allosterisk modulator är ett substrat för dess mål- proteinet , samt en reglerande molekyl av proteinets aktivitet. Det är vanligtvis en aktivator av proteinet. Till exempel, O 2 och CO är homotropic allosteriska modulatorer av hemoglobin. På samma sätt leder i IMP/GMP -specifikt 5' -nukleotidas bindning av en GMP -molekyl till en enda subenhet av det tetramära enzymet till ökad affinitet för GMP av de efterföljande subenheterna, vilket avslöjas av sigmoidalt substrat kontra hastighetsdiagram.

Heterotrop

En heterotrop allosterisk modulator är en reglerande molekyl som inte är enzymets substrat. Det kan antingen vara en aktivator eller en hämmare av enzymet. Exempelvis H + , CO 2 , och 2,3-bisfosfoglycerat är heterotropa allosteriska modulatorer av hemoglobin. Återigen, i IMP/GMP-specifikt 5'-nukleotidas, leder bindning av GTP-molekyl vid dimergränssnittet i tetrameriskt enzym till ökad affinitet för substrat-GMP på det aktiva stället, vilket indikerar mot heterotrop allosterisk aktivering av K-typ.

Såsom har framhållits ovan kan vissa allosteriska proteiner regleras av både deras substrat och andra molekyler. Sådana proteiner kan både homotropa och heterotropa interaktioner.

Viktiga aktivatorer

Vissa allosteriska aktivatorer kallas "väsentliga" eller "obligatoriska" aktivatorer, i den meningen att aktiviteten för deras målenzymaktivitet i deras frånvaro är mycket låg eller försumbar, vilket är fallet med N-acetylglutamats aktivitet på karbamoylfosfat syntetas I, till exempel.

Icke-reglerande tilldelning

Ett icke-reglerande allosteriskt ställe är varje icke-reglerande komponent i ett enzym (eller något protein), som inte i sig är en aminosyra. Till exempel kräver många enzymer natriumbindning för att säkerställa korrekt funktion. Natriumet fungerar dock inte nödvändigtvis som en reglerande underenhet; natrium är alltid närvarande och det finns inga kända biologiska processer för att tillsätta/ta bort natrium för att reglera enzymaktivitet. Icke-reglerande allostery kan omfatta alla andra joner förutom natrium (kalcium, magnesium, zink), liksom andra kemikalier och eventuellt vitaminer.

Farmakologi

Allosterisk modulering av en receptor är resultatet av bindningen av allosteriska modulatorer vid ett annat ställe (ett " regleringsställe ") än den för den endogena liganden (ett " aktivt ställe ") och förstärker eller inhiberar effekterna av den endogena liganden. Under normala omständigheter verkar det genom att orsaka en konformationsförändring i en receptormolekyl, vilket resulterar i en förändring i bindningsaffiniteten för liganden. På detta sätt modulerar en allosterisk ligand receptorns aktivering med sin primära ortosteriska ligand och kan tänkas fungera som en dimmerbrytare i en elektrisk krets, vilket justerar intensiteten av svaret.

Till exempel har GABA A- receptorn två aktiva ställen som neurotransmittorn gamma-aminosmörsyra (GABA) binder, men har också bensodiazepin och generella anestesimedel regulatoriska bindningsställen. Dessa regleringsställen kan var och en producera positiv allosterisk modulering, vilket förstärker aktiviteten hos GABA. Diazepam är en positiv allosterisk modulator på bensodiazepins regleringsplats, och dess motgift flumazenil är en antagonist .

Nyare exempel på läkemedel som allosteriskt modulerar sina mål inkluderar kalciumliknande cinacalcet och HIV-behandling maraviroc .

Allosteriska platser som läkemedelsmål

Allosteriska platser kan representera ett nytt läkemedelsmål . Det finns ett antal fördelar med att använda allosteriska modulatorer som föredragna terapeutiska medel framför klassiska ortosteriska ligander. Till exempel har G-proteinkopplade receptor (GPCR) allosteriska bindningsställen inte mött samma evolutionära tryck som ortosteriska platser för att rymma en endogen ligand, så de är mer olika. Därför kan större GPCR -selektivitet erhållas genom inriktning på allosteriska platser. Detta är särskilt användbart för GPCR: er där selektiv ortosterisk terapi har varit svår på grund av sekvensbevarande av ortostersätet över receptorsubtyper. Dessa modulatorer har också en minskad potential för toxiska effekter, eftersom modulatorer med begränsad kooperativitet kommer att ha en taknivå för deras effekt, oberoende av den administrerade dosen. En annan typ av farmakologisk selektivitet som är unik för allosteriska modulatorer är baserad på kooperativitet. En allosterisk modulator kan uppvisa neutral kooperativitet med en ortosterisk ligand vid alla undertyper av en given receptor utom subtypen av intresse, som kallas "absolut subtypselektivitet". Om en allosterisk modulator inte har någon märkbar effekt kan den ge en annan kraftfull terapeutisk fördel jämfört med ortosteriska ligander, nämligen förmågan att selektivt justera upp eller ned vävnadsrespons endast när den endogena agonisten är närvarande. Oligomerspecifika små molekylbindningsställen är läkemedelsmål för medicinskt relevanta morfeiner .

Syntetiska allosteriska system

Det finns många syntetiska föreningar som innehåller flera icke -kovalenta bindningsställen, som uppvisar konformationsförändringar vid ockupation av ett ställe. Kooperativitet mellan enskilda bindningsbidrag i sådana supramolekylära system är positivt om ockupation av ett bindningsställe ökar affiniteten Δ G på ett andra ställe och negativt om affiniteten inte höjs. De flesta syntetiska allosteriska komplex är beroende av konformationsreorganisering vid bindningen av en effektorligand som sedan leder till antingen förstärkt eller försvagad förening av andra liganden vid ett annat bindningsställe. Konformationskoppling mellan flera bindningsställen är i artificiella system vanligtvis mycket större än i proteiner med sin vanligtvis större flexibilitet. Parametern som bestämmer effektiviteten (mätt med förhållandet jämviktskonstanter Krel = KA (E)/KA i närvaro och frånvaro av en effektor E) är den konformationsenergi som behövs för att anta en sluten eller ansträngd konformation för bindning av en ligand A.

I många multivalenta supramolekylära system kan direkt interaktion mellan bundna ligander uppstå, vilket kan leda till stora kooperativiteter. Vanligast är en sådan direkt interaktion mellan joner i receptorer för jonpar. Denna kooperation kallas ofta även för allostery, även om konformationsförändringar här inte nödvändigtvis utlöser bindande händelser.

Online resurser

Allosterisk databas

Allostery är ett direkt och effektivt medel för reglering av biologisk makromolekylfunktion, producerad genom bindning av en ligand vid ett allosteriskt ställe topografiskt distinkt från det ortosteriska stället. På grund av den ofta höga receptorselektiviteten och den lägre målbaserade toxiciteten förväntas allosterisk reglering också spela en allt större roll vid upptäckt av läkemedel och bioteknik. AlloSteric Database (ASD, http://mdl.shsmu.edu.cn/ASD ) tillhandahåller en central resurs för visning, sökning och analys av strukturen, funktionen och relaterad kommentar för allosteriska molekyler. För närvarande innehåller ASD allosteriska proteiner från mer än 100 arter och modulatorer i tre kategorier (aktivatorer, hämmare och regulatorer). Varje protein är kommenterat med detaljerad beskrivning av allostery, biologisk process och relaterade sjukdomar, och varje modulator med bindningsaffinitet, fysikalisk -kemiska egenskaper och terapeutiskt område. Integrering av informationen om allosteriska proteiner i ASD bör göra det möjligt att förutse allostery för okända proteiner, med experimentell validering. Dessutom kan modulatorer som är kuraterade i ASD användas för att undersöka potentiella allosteriska mål för en förfrågningsförening och kan hjälpa kemister att genomföra strukturändringar för ny allosterisk läkemedelsdesign.

Allosteriska rester och deras förutsägelse

Alla proteinrester spelar inte lika viktiga roller vid allosterisk reglering. Identifieringen av rester som är viktiga för allostery (så kallade "allosteriska rester") har varit i fokus för många studier, särskilt under det senaste decenniet. Dels är detta växande intresse ett resultat av deras allmänna betydelse inom proteinvetenskap, men också för att allosteriska rester kan utnyttjas i biomedicinska sammanhang . Farmakologiskt viktiga proteiner med svåråtkomliga platser kan ge efter för tillvägagångssätt där man alternativt riktar lättare att nå rester som kan allosteriskt reglera den primära platsen av intresse. Dessa rester kan i stort sett klassificeras som yt- och inre-allosteriska aminosyror. Allosteriska platser vid ytan spelar i allmänhet reglerande roller som i grunden skiljer sig från dem i det inre; ytrester kan tjäna som receptorer eller effektorställen vid allosterisk signalöverföring, medan de i det inre kan verka för att överföra sådana signaler.

Se även

Referenser

externa länkar