Biochimie structurală/Reglare enzimatică/Control alosteric
Controlul alosteric se referă la un tip de reglare enzimatică care implică legarea unei molecule nesubstrat, cunoscută sub numele de efector alosteric, în alte locații ale enzimei decât situsul activ. Denumirea „allo” înseamnă altul, iar „steric” se referă la o poziție într-un anumit spațiu. Cu alte cuvinte, alosteric înseamnă „în alt loc”. Un situs alosteric este un situs în care o mică moleculă de reglementare interacționează cu o enzimă pentru a inhiba sau activa acea enzimă specifică; care este diferit de situsul activ unde are loc activitatea catalitică. Legarea efectorului alosteric este în general necovalentă și reversibilă. Această interacțiune modifică astfel forma enzimei care, la rândul ei, modifică forma situsului activ. Această modificare a conformației va inhiba sau va spori cataliza unei reacții. Astfel, controlul alosteric permite celulei să reglementeze rapid substanțele necesare prin inhibiție și sau intensificare.
ATCaseEdit
The enzyme aspartate transcarbamoylase (ATCase) is an allosteric enzyme that catalyzes the first step in the synthesis of pyrimidines.
StructureEdit
ATCase is made of six regulatory subunits and six catalytic subunits. The 3 regulatory subunits (r) are dimers made of 2 chains of 17 kd each. The smaller of the two, the regulatory subunit can bind to CTP and thus shows no catalytic activity. The 2 catalytic subunits (c) are trimers consisting of 3 chains, each 34 kd. The catalytic subunit is unresponsive to CTP thus does not follow a sigmoidal behavior.
- The quaternary structure of ATCase is composed of the two catalytic trimers stacked one on top of another. Efectul inhibitor al CTP, acțiunea stimulatoare a ATP și legarea cooperantă a substatelor sunt toate însoțite de schimbări mari în structura cuaternară a ATCazei.
- Care lanț r al fiecărei subunități de reglare se leagă cu un lanț c al trimerului catalitic. Regiunea de contact pe între lanțul r și lanțul c este stabilizată de un domeniu de zinc legat de reziduurile de histidină din lanțul r. Toate lanțurile c au contact cu subunitatea de reglare.
Subunitățile catalitice și de reglare pot fi separate prin adăugarea mai întâi a unui compus mercurial și apoi prin ultracentrifugare. Compușii mercurieni rup legătura deoarece deplasează ionul de zinc, destabilizând domeniul subunității r. Reacția nu urmează un comportament Michaelis-Menten, în schimb produce o curbă sigmoidală din cauza modificărilor de răspuns ale concentrației substratului prin intermediul reglării de către alte molecule și a modificărilor probabilității de legare. Adăugarea unei cantități mai mari de substrat are două efecte privind creșterea probabilității ca enzima să lege mai mult de o moleculă de substrat, crescând în același timp cantitatea medie de substraturi legate de fiecare enzimă. Mai mult substrat favorizează în cele din urmă starea R a ATCazei, deoarece echilibrul depinde de numărul de situsuri active care sunt ocupate de substrat, ceea ce este complet opus comportamentului Michaelis-Menten.
KineticsEdit
Enzimele alosterice prezintă o cinetică sigmoidală mai degrabă decât Michaelis-.Menton kinetică. Acest lucru se datorează faptului că enzima oscilează între două stări conformaționale distincte, la fel ca hemoglobina.
- Starea T este caracterizată de o afinitate scăzută pentru substrat și o activitate catalitică scăzută.
- În conformația de stare R, există o separare de 12Å între trimerii catalitici și o rotație de aproximativ 10° în jurul axei centrale. Există, de asemenea, o rotație de aproximativ 15° de către subunitățile de reglare. Conformația de stare R este caracterizată de o creștere a concentrației de substrat care crește simultan reactivitatea ATCazei în pregătirea pentru calea enzimatică de producere a CTP.
Activare alostericăEdit
După legarea substratului la situsul activ situat în buzunarul dintre lanțurile c din trimer, ATCazei are o probabilitate mai mare de a trece la starea R datorită faptului că legarea substratului stabilizează starea R. Legarea substraturilor deplasează echilibrul mai mult spre starea R prin creșterea probabilității
că fiecare enzimă se va lega și prin creșterea numărului mediu de substraturi legate (cooperativitate).
ATP se poate lega, de asemenea, la situsul de reglare al ATCazei, dar ATP nu inhibă activitatea ATCazei, de fapt ATP crește activitatea ATCazei. Deci, la niveluri ridicate de ATP, ATP poate acționa ca un concurent,pentru situsul de reglare, împotriva CTP. Astfel, activitatea ATCazei poate crește odată cu creșterea concentrației de ATP. Această creștere a activității poate avea posibile explicații fiziologice. Nivelurile ridicate de ATP înseamnă că există o concentrație ridicată de nucleotide purinice, astfel încât activitatea crescută a ATCazei va crește concentrația de pirimidine. Astfel, concentrația atât a purinelor, cât și a pirimidinelor va fi mai echilibrată. De asemenea, a avea mult ATP în celulă înseamnă a avea energie pentru procese cum ar fi sinteza ARNm și, de asemenea, replicarea ADN-ului, astfel încât ATCază poate crește cantitățile de pirimidine care pot fi apoi folosite în aceste procese.
PALAEdit
În prezența N-(fosfonacetil)-L-asparatului (PALA), un analog de bisubstrat care seamănă cu substratul intermediar pe calea enzimatică, PALA inhibă ATCază care se leagă de situsurile active. Cu toate acestea, inhibiția a evidențiat modificarea structurii cuaternare la legarea PALA. Doi trimeri catalitici sunt izolați în stările lor T și R respective. Această inhibiție nu este alosterică, dar, în schimb, introduce subunitățile catalitice care sunt responsabile de inhibiția alosterică a acestei căi complete de inhibiție prin feedback.
Starea T vs. starea RStarea T este cunoscută pentru că tensionează molecula, ceea ce crește cantitatea de substrat necesară pentru a se lega de enzimă la 1/2 Vmax (Km). Starea T este mai puțin activă și este favorizată de legarea CTP. Efectul CTP este că starea T se stabilizează. Acest lucru înseamnă că este mai greu de transformat enzima în starea R. Pe de altă parte, se știe că starea R este mai relaxată și scade Km. Pe măsură ce concentrația de substrat crește, echilibrul se va deplasa de la starea T la starea R. În starea R, molecula este mai activă, ceea ce înseamnă că este favorizată legarea substratului. Efectul ATP asupra stării R este că aceasta este stabilizată, ceea ce facilitează legarea substraturilor.
Efecte homotrope — efecte ale substratului asupra enzimelor alosterice.
Efecte heterotrope —efectele moleculelor nesubstrat asupra enzimelor alosterice, cum ar fi CTP și ATP asupra ATCazei
Inhibiția alostericăEdit
Trifosfatul de stidină (CTP), produsul final al ATCazei acționează ca un regulator alosteric. Fosfatul de carbamoil și aspartatul se condensează în intermediarul N-carbamoylaspartat care apoi formează CTP. CTP se leagă de lanțul r al subunității de reglare care nu este în contact cu lanțurile c. Legarea CTP stabilizează starea T și scade afinitatea pentru substrat. Chiar dacă situsul de legare la nivelul subunității de reglare este îndepărtat de subunitatea catalitică, legarea va duce la modificări structurale cuaternare care favorizează stabilizarea stării T și inhibiția. Astfel, aceasta determină deplasarea curbei sigmoidale spre dreapta. Reacția va avea loc rapid la o concentrație mică de , dar la concentrații mai mari, CTP va acționa ca un inhibitor al ATCazei prin situsuri reglatoare sau alosterice, nu prin situsuri active. Acesta este un exemplu de reacție negativă, în care rezultatul final va pune capăt reacției inițiale. Inhibarea prin reacție a CTP asupra ATCase poate fi inversată de ATP.
Efecte heterotrope — efectele moleculelor nesubstrat asupra enzimei
CooperativitateEdit
Rata de formare a produsului N-carbamoilaspartat crește pe măsură ce crește concentrația de aspartat. Deoarece are caracter cooperant, se poate observa că curba sa are caracteristica sigmodală, ceea ce înseamnă că legarea substratului pe un situs al moleculelor crește afinitatea celorlalte substraturi de a se lega pe celelalte situsuri de legare ale moleculelor. Curba sigmodială a ATCase încorporează un amestec de două curbe Michaelis-Menten – una cu o valoare mare a KM (prezentată prin starea T), cealaltă cu o valoare mică a KM (prezentată prin starea R). Legarea unui substrat la o subunitate și modificarea consecutivă a tuturor celorlalte subunități se numește cooperativitate. În cadrul cooperativității, legarea la un situs crește sau scade legarea într-un alt situs al enzimei. Acest lucru se datorează modificărilor conformaționale ale reziduurilor subunității învecinate care afectează modificarea formei celeilalte subunități catalitice. Acest proces este analog cu modul în care hemoglobina se leagă în mod cooperativ de moleculele de oxigen.
MecanismEdit
Enzima are două situsuri active. Unul este pentru substrat și celălalt este pentru activatorul alosteric care se află la situsul de reglare. Situl activ al enzimei nu poate lega substratul atunci când activatorii alosterici nu sunt legați la situsul de reglare. Pe de altă parte, dacă activatorul alosteric se leagă de enzimă, forma situsului activ, permite legarea substratului permițând producerea de produse. Enzima va rămâne activă până când activatorul alosteric părăsește enzima.
.