CÁC ENZYM ALLOSTERIC: ĐẶC ĐIỂM, CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG, VÍ DỤ - SINH HỌC - 2026

Một enzyme allosteric (từ tiếng Hy Lạp: allo, + dàn âm thanh khác nhau, không gian ba chiều) là một protein trong đó tương tác gián tiếp xảy ra giữa các trang web địa hình khác nhau, bởi các ràng buộc của chất nền và các phân tử điều tiết (ligand).

Sự liên kết của một phối tử với một vị trí cụ thể bị ảnh hưởng bởi sự liên kết của một phối tử tác động khác (hoặc phối tử điều biến) với một vị trí (allosteric) khác trên enzym. Điều này được gọi là tương tác allosteric, hoặc tương tác hợp tác.

Ví dụ về một loại enzyme. Nguồn: Thomas Shafee

Khi phối tử hiệu ứng tăng ái lực liên kết của phối tử khác với enzym, thì tính hợp tác là dương. Khi ái lực giảm, tính hợp tác là âm. Nếu hai phối tử giống nhau tham gia vào tương tác cộng tác thì hiệu ứng là dị hướng, còn nếu hai phối tử khác nhau thì hiệu ứng là dị hướng.

Tương tác hợp tác tạo ra những thay đổi có thể đảo ngược trong cấu trúc phân tử của enzyme, ở cấp độ cấu trúc bậc ba và bậc bốn. Những thay đổi này được gọi là thay đổi tuân thủ.

Lịch sử

Khái niệm về tương tác allosteric xuất hiện hơn 50 năm trước. Nó đã phát triển theo thời gian, cụ thể là:

-Năm 1903, người ta quan sát thấy đường cong sigmoidal liên kết của hemoglobin với oxy.

-Năm 1910, đường cong sigmoidal của O ₂ liên kết với hemoglobin được mô tả toán học bằng cách sử dụng phương trình Hill.

-Năm 1954, Novick và Szilard đã chỉ ra rằng một enzym nằm ở phần đầu của con đường trao đổi chất đã bị ức chế bởi sản phẩm cuối cùng của con đường này, được gọi là phản hồi âm.

-Năm 1956, Umbarger phát hiện ra rằng L-threonine deaminase, enzyme đầu tiên của con đường sinh tổng hợp L-isoleucine, bị ức chế bởi L-isoleucine, và nó không biểu hiện động học Michaelis-Menten điển hình với một đường cong hyperbol, đúng hơn nó có một đường cong biểu tượng.

-Năm 1963, Perutz và cộng sự, đã phát hiện ra sự thay đổi cấu trúc của tia X trong cấu trúc của hemoglobin khi nó liên kết với oxy. Monod và Jacob đã đổi tên các địa điểm quản lý là "các địa điểm dị ứng".

-Năm 1965, Monod, Wyman và Changeux đề xuất mô hình đối xứng, hay mô hình MWC (các chữ cái đầu của Monod, Wyman và Changeux) để giải thích các tương tác allosteric.

-Năm 1966, Koshland, Nemethy và Filmer đề xuất mô hình liên kết tuần tự hoặc cảm ứng, hoặc mô hình KNF, để giải thích các tương tác dị hợp.

-Năm 1988, cấu trúc tia X của aspartate transcarbamylase đã chứng minh mô hình đối xứng do Monod, Wyman và Changeux đưa ra.

-Trong những năm 1990, đột biến, biến đổi cộng hóa trị và thay đổi pH được coi là tác nhân gây hiệu ứng dị ứng.

-Năm 1996, cấu trúc tia X của bộ kìm hãm lac đã chứng minh sự chuyển đổi allosteric.

Cơ chế hoạt động và ví dụ

-Đặc điểm của các mô hình MWC và KNF về điều tiết allosteric

Mô hình MWC

Giả thuyết ban đầu của mô hình MWC đề xuất như sau (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Các protein allosteric là các oligome được tạo thành từ các protome liên quan đối xứng. Các đồng phân tạo thành từ chuỗi polypeptit hoặc tiểu đơn vị.

Các oligome có ít nhất hai trạng thái cấu trúc (R và T). Cả hai trạng thái (của cấu trúc bậc bốn) thiết lập một cách tự nhiên trạng thái cân bằng, có hoặc không có phối tử liên kết.

Khi sự chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác xảy ra, tính đối xứng được bảo toàn và ái lực của một vị trí (hoặc một số) vị trí lập thể cụ thể đối với phối tử bị thay đổi.

Theo cách này, sự ràng buộc hợp tác của các phối tử xuất phát từ sự tương tác hợp tác giữa các đơn vị con.

Mô hình KNF

Giả thuyết mô hình KNF đề xuất như sau (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Liên kết phối tử tạo ra sự thay đổi cấu trúc bậc ba trong một tiểu đơn vị. Sự thay đổi cấu trúc này ảnh hưởng đến các đơn vị con lân cận.

Ái lực liên kết của phối tử protein phụ thuộc vào số lượng phối tử mà nó giữ với nhau. Do đó, các protein allosteric có nhiều trạng thái cấu trúc bao gồm các trạng thái trung gian.

Trong 5 thập kỷ qua, mô hình MWC và KNF đã được đánh giá thông qua các nghiên cứu về cấu trúc và sinh hóa. Nó đã được chỉ ra rằng nhiều protein allosteric, bao gồm cả các enzym, tuân thủ những gì được đề xuất trong mô hình MWC, mặc dù có những ngoại lệ.

Mô hình MWC và các enzym allosteric (hoặc enzym điều hòa allosteric)

Các enzym allosteric thường lớn hơn và phức tạp hơn các enzym không allosteric. Aspartate transcarbamylase (Asp transcarbamylase hoặc ATCase) và phosphofructokinase-1 (PFK-1) là những ví dụ cổ điển về các enzym allosteric tuân theo mô hình MWC.

AT House of

ATCase xúc tác phản ứng đầu tiên của con đường sinh tổng hợp nucleotide pyrimidine (CTP và UTP) và sử dụng Asp làm chất nền. Cấu trúc của ATCase bao gồm các tiểu đơn vị xúc tác và điều hòa. ATCase có hai trạng thái tuân thủ R và T. Tính đối xứng giữa hai trạng thái này được bảo toàn.

Động học của ATCase (tốc độ ban đầu của ATCase với các nồng độ khác nhau của aspartate) được đặc trưng bởi một đường cong sigmoid. Điều này cho thấy ATCasa có hành vi hợp tác.

ATCase bị ức chế phản hồi bởi CTP. Đường cong sigmoid của ATCase, khi có CTP, nằm ở bên phải của đường cong sigmoid của ATCase khi không có CTP. Bằng chứng là sự tăng giá trị của hằng số Michaelis-Menten (K _m ).

Có nghĩa là, khi có CTP, ATCase yêu cầu nồng độ aspartate cao hơn để đạt được một nửa tỷ lệ tối đa (V _max ), so với ATCase khi không có CTP.

Kết luận, CTP là một tác nhân dị ứng dị hướng âm tính dị ứng vì nó làm giảm ái lực của ATCase với aspartate. Hành vi này được gọi là sự hợp tác tiêu cực.

PFK - 1

PFK-1 xúc tác phản ứng thứ ba của con đường đường phân. Phản ứng này bao gồm việc chuyển một nhóm phốt phát từ ATP thành fructose 6-phosphate. Cấu trúc của PFK-1 là một tetramer, thể hiện hai trạng thái cấu trúc R và T. Tính đối xứng giữa hai trạng thái này được bảo toàn.

Động học của PFK-1 (tỷ lệ ban đầu với các nồng độ khác nhau của fructose 6-phosphate) thể hiện một đường cong sigmoid. PFK-1 chịu sự điều chỉnh dị ứng phức tạp của ATP, AMP và frutose-2,6-bisphosphate, cụ thể là:

Đường cong sigmoid của PFK-1, khi có nồng độ ATP cao, nằm ở bên phải của đường cong sigmoid ở nồng độ ATP thấp (Hình 4). Bằng chứng là sự tăng giá trị của hằng số Michaelis-Menten (K _m ).

Khi có nồng độ ATP cao, PFK-1 yêu cầu nồng độ fructose 6-phosphate cao hơn để đạt được một nửa tốc độ tối đa (V _max ).

Kết luận, ATP, ngoài vai trò là chất nền, còn là một tác nhân gây dị ứng dị hướng âm vì nó làm giảm ái lực của PFK-1 đối với fructose 6-phosphate.

Đường cong sigmoid của PFK-1, với sự hiện diện của AMP, nằm bên trái của đường cong sigmoid của PFK-1 khi có ATP. Tức là AMP loại bỏ tác dụng ức chế của ATP.

Khi có mặt AMP, PFK-1 yêu cầu nồng độ fructose 6-phosphate thấp hơn để đạt một nửa tốc độ tối đa (V _max ). Điều này được thể hiện trong thực tế là có sự giảm giá trị của hằng số Michaelis-Menten (K _m ).

Kết luận, AMP là một chất gây dị ứng dị hướng tích cực vì nó làm tăng ái lực liên kết của PFK-1 với fructose 6-phosphate. Frutose-2,6-bisphosphate (F2,6BP) là chất hoạt hóa allosteric mạnh của PFK-1 (Hình 5), và hoạt động của nó tương tự như AMP.

Mô hình MWC là phổ biến, nhưng không phổ biến

Trong tổng số cấu trúc protein được gửi vào PDB (Ngân hàng dữ liệu protein), một nửa là các oligomer và nửa còn lại là monome. Nó đã được chứng minh rằng tính hợp tác không yêu cầu nhiều phối tử, hoặc tập hợp nhiều đơn vị con. Đây là trường hợp của glucokinase và các enzym khác.

Glucokinase là đơn phân, có chuỗi polypeptit, và thể hiện động học sigma khi tăng nồng độ glucose trong máu (Porter và Miller, 2012; Kamata và cộng sự, 2004).

Có các mô hình khác nhau giải thích động học hợp tác trong các enzym đơn phân, cụ thể là: mô hình ghi nhớ, mô hình chuyển tiếp chậm do phối tử tạo ra, sự bổ sung ngẫu nhiên các chất nền trong các phản ứng sinh phân tử, các loại thay đổi cấu trúc chậm, trong số những mô hình khác.

Các nghiên cứu về cấu trúc của glucokinase đã hỗ trợ mô hình ghi nhớ

Bình thường glucokinase con người có một K _m 8 mM glucose. Giá trị này gần với nồng độ glucose trong máu.

Có những bệnh nhân bị tăng insulin máu kháng pes thời thơ ấu (PHHI). Glucokinase của những bệnh nhân này có K _m đối với glucose thấp hơn glucokinase bình thường, và tính hợp tác giảm đáng kể.

Do đó, những bệnh nhân này có một biến thể glucokinase rất hiếu động, trong trường hợp nặng có thể gây tử vong.

Các ứng dụng của allosterism

Allostry và xúc tác được liên kết chặt chẽ với nhau. Do đó, tác dụng của allosteric có thể ảnh hưởng đến các đặc tính xúc tác như liên kết phối tử, giải phóng phối tử.

Các vị trí liên kết allosteric có thể là mục tiêu của các loại thuốc mới. Điều này là do tác nhân gây dị ứng có thể ảnh hưởng đến chức năng của enzym. Xác định các vị trí dị ứng là bước đầu tiên trong việc phát hiện ra các loại thuốc tăng cường chức năng của enzym.

Người giới thiệu

1. Changeux, JP 2012. Allostery và mô hình Monod-Wyman-Changeux Sau 50 năm. Đánh giá hàng năm về lý sinh và cấu trúc phân tử sinh học, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 năm của các tương tác allosteric: sự xoắn và quay của các mô hình. Sinh học Tế bào Phân tử, trong Nature Reviews, 14: 1–11.
3. Goodey, NM và Benkovic, SJ 2008. Điều hòa và xúc tác allosteric xuất hiện thông qua một con đường chung. Tự nhiên Hóa học Sinh học, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Cơ sở cấu trúc để điều hòa allosteric của enzyme allosteric monome glucokinase ở người. Cấu trúc, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. So sánh dữ liệu liên kết thực nghiệm và mô hình lý thuyết trong protein chứa tiểu đơn vị. Hóa sinh, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Về bản chất của chuyển đổi dị hợp: một mô hình hợp lý. Tạp chí Sinh học Phân tử, 12: 88–118.
7. Nelson, DL và Cox, MM, 2008. Lehninger - Nguyên tắc Hóa sinh. WH Freeman và Công ty, New York.
8. Porter, CM và Miller, BG 2012. Sự hợp tác trong các enzym đơn phân với các vị trí liên kết phối tử đơn lẻ. Hóa học tổ chức sinh học, 43: 44-50.
9. Voet, D. và Voet, J. 2004. Hóa sinh. John Wiley và Sons, Hoa Kỳ.