Strukturní biochemie/Funkce proteinu/Vazbová místa/Kooperativita

Kooperativní vazba může vytvářet negativní kooperativitu, pozitivní kooperativitu, heterotropní kooperativitu a homotropní kooperativitu.

Negativní kooperativitaEdit

Příkladem negativní kooperativity je pokles vazebné afinity po navázání jednoho z míst. Jak se ligandy vážou na protein, afinita proteinu k ligandu klesá. Například vztah mezi glyceraldehyd-3-fosfátem a enzymem glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenázou je jasným příkladem tohoto procesu.

Pozitivní kooperativitaUpravit

Hemoglobin se skládá ze čtyř podjednotek. Pokud se jedna podjednotka naváže na kyslík, zvýší se šance, že totéž udělají i ostatní tři.

Příkladem pozitivní kooperativity může být, když se substrát naváže na enzym s více vazebnými místy a ostatní vazebná místa jsou touto změnou ovlivněna.

Toto chování je vidět na vazbě kyslíku na hemoglobin za vzniku oxyhemoglobinu. Hemoglobin se skládá ze čtyř podjednotek, dvou alfa a dvou beta. Ty se spojují do tetrameru, přičemž každá podjednotka má své vlastní aktivní místo, na které se váže kyslík. Toto aktivní místo obsahuje porfyrinovou kruhovou strukturu s atomem železa uprostřed. Když podjednotka není vázána na kyslík, je železo asi 0,4 A pod rovinou kruhu. Když je tetramer v tomto stavu, považuje se za stav T neboli napjatý stav.

Stav R neboli uvolněný stav nastává, když se hemoglobin naváže na kyslík. Deoxyhemoglobin neboli stav T má nízkou afinitu ke kyslíku. Když se však jedna molekula naváže na jediný hem, afinita ke kyslíku se zvýší, což umožní následujícím molekulám snadnější navázání za sebou. K tomu dochází, když se železo navázané na kyslík zvedne tak, aby leželo ve stejné rovině jako kruh. To nutí k pohybu i histidinový zbytek, na který je navázán, což zase nutí k pohybu alfa šroubovici, na níž je histidin navázán. Karboxylová koncovka na konci šroubovice se nachází na rozhraní dvou alfa-beta dimerů, což podporuje přechod do R-stavu. Celkově je stav R stabilnější než stav T, ale za určitých podmínek se to může změnit.

Afinita 3-oxyhemoglobinu ke kyslíku je asi 300krát větší než u jeho deoxyhemoglobinového protějšku. Toto chování vede k tomu, že křivka afinity hemoglobinu se stává sigmoidální, nikoli hyperbolickou jako u křivky afinity monomerního myoglobinu. Stejně tak je schopnost hemoglobinu ztrácet kyslík tím větší, čím méně molekul kyslíku je vázáno. Tuto kooperativitu lze pozorovat u hemoglobinu, když se jeden z kyslíku váže na jednu z podjednotek tetrameru. Tím se zvýší pravděpodobnost, že se na zbylá tři místa naváže kyslík.

Příkladem homotropní kooperativity je vliv molekuly substrátu na jeho afinitu.

Příkladem heterotropní kooperativity je situace, kdy třetí látka způsobí změnu afinity.

Koncertní model kooperativityUpravit

Koncertní model (model symetrie nebo MWC model): podjednotky enzymu jsou propojeny tak, že konformační změna v jedné podjednotce je nutně přenesena na všechny ostatní podjednotky. Všechny podjednotky tedy musí existovat ve stejné konformaci. Příklad: U hemoglobinu mění tetramer konformaci společně (stav R) poté, co se čtyři molekuly kyslíku naváží na všechny čtyři monomery. K přechodu ze stavu T do stavu R dochází v jednom kroku.

K vysvětlení kooperativity při vazbě kyslíku i přechodů bílkovin složených z identických podjednotek se u hemoglobinu používá tzv. sladěný model, známý také jako model MWC nebo model symetrie. Zaměřuje se na dva stavy hemoglobinu: T a R stav. Stav T hemoglobinu je napjatější, protože je ve formě deoxyhemoglobinu, zatímco stav R hemoglobinu je uvolněnější, protože je ve formě oxyhemoglobinu. Stav T je omezený kvůli interakcím mezi podjednotkami, zatímco stav R je pružnější kvůli schopnosti vázat kyslík. Vazba kyslíku v jednom místě zvyšuje vazebnou afinitu v ostatních aktivních místech. Ve sladěném modelu hemoglobinu se tedy ukazuje, že vazba jednoho kyslíku na aktivní místo zvýší pravděpodobnost vazby dalšího kyslíku na ostatní aktivní místa. Ve sladěném modelu musí být všechna vazebná místa kyslíku na hemoglobinu ve stavu T před převedením do stavu R navázána. To platí i při přechodu ze stavu R do stavu T, kdy se před úplným přechodem musí uvolnit veškerý vázaný kyslík. Při každé úrovni zatížení kyslíkem existuje rovnováha mezi stavem T a stavem R. Rovnováha se mění od stavu T (bez vázaného kyslíku) k stavu R (plně nabitý kyslíkem). Vazba kyslíku celkově posouvá rovnováhu směrem ke stavu R. To znamená, že při vysokém obsahu kyslíku bude převažovat forma R a při nižším obsahu kyslíku bude převažovat forma T. Alosterické efektory hemoglobinu, jako je 2,3-BPG, fungují tak, že posouvají rovnováhu směrem ke stavu T nebo od něj, záleží na tom, zda jde o inhibitor nebo promotor. Tento model a sekvenční model zobrazuje extrémní případy přechodů R a T. V reálném systému jsou k vysvětlení chování hemoglobinu potřebné vlastnosti z obou modelů.

Sekvenční model kooperativityUpravit

Sekvenční model: podjednotky nejsou propojeny tak, aby konformační změna v jedné vyvolala podobnou změnu v ostatních. Všechny enzymové podjednotky nemusí mít stejnou konformaci. Sekvenční model uvádí, že molekuly substrátu se vážou prostřednictvím indukované konformace. Příkladem je např: V hemoglobinu mění čtyři monomery konformaci (stav R) postupně, jak se na každý monomer váže kyslík. Díky tomu má hemoglobin monomery ve stavu R a monomery ve stavu T.

Sekvenční model hemoglobinu vysvětluje kooperativitu, která se podílí na vazbě kyslíku. Tento model vychází z koncepce, že poté, co dojde k vazbě v jednom místě aktivního místa, zvýší se vazebná afinita i v ostatních místech v okolí proteinu. Proto má graf závislosti koncentrace substrátu na rychlosti reakce sigmoidální tvar. Kvůli této kooperativitě se neřídí Michaelis-Mentenovou kinetikou. Rozdíl mezi tímto modelem a koordinovaným modelem spočívá v tom, že stavy T se nemusí přeměnit na stavy R najednou. V tomto modelu ligand změní konformaci podjednotky, na kterou je vázán, a vyvolá změny v sousedních podjednotkách. Sekvenční model nevyžaduje, aby se celkový stav molekuly nacházel pouze ve stavu T nebo pouze ve stavu R. Jednoduše každé vazebné místo ovlivňuje okolní vazebná místa, dokud nejsou všechna vazebná místa ve stejném stavu. Ani sekvenční model, ani sladěný model plně nevysvětlují podstatu hemoglobinu. Vlastnosti z obou modelů se objevují v reálném systému.

.