Strukturel biokemi/Proteinfunktion/Bindingssteder/Kooperativitet

Kooperativ binding kan give negativ kooperativitet, positiv kooperativitet, heterotropisk kooperativitet og homotropisk kooperativitet.

Negativ kooperativitetRediger

Et eksempel på negativ kooperativitet er faldet i bindingsaffinitet, når et af stederne er bundet. Efterhånden som ligandene binder til proteinet, falder proteinets affinitet for liganden. For eksempel er forholdet mellem glyceraldehyd-3-fosfat og enzymet glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenase et tydeligt eksempel på denne proces.

Positiv kooperativitetRediger

Hæmoglobin er opbygget af fire underenheder. Hvis en underenhed binder sig til ilt, øger det chancen for, at de tre andre gør det samme.

Et eksempel på positiv kooperativitet kan ses, når et substrat binder sig til et enzym med flere bindingssteder, og de andre bindingssteder påvirkes af denne ændring.

Denne adfærd ses ved bindingen af ilt til hæmoglobin for at danne oxyhæmoglobin. Hæmoglobin består af fire underenheder, to alfa- og to beta-enheder. De samles til en tetramer, hvor hver underenhed har sit eget aktive sted at binde ilt til. Dette aktive sted indeholder en porphyrinringstruktur med et jernatom i midten. Når underenheden ikke er bundet til et iltstof, befinder jernet sig ca. 0,4 A under ringens plan. Når tetrameren er i denne tilstand, anses den for at være i T-tilstand eller spændt tilstand.

R-tilstanden eller den afslappede tilstand opstår, når hæmoglobin har bundet ilt. Deoxyhæmoglobin, eller T-tilstanden, har en lav affinitet for ilt. Når et molekyle binder sig til et enkelt hæm, øges iltaffiniteten dog, hvilket gør det muligt for de efterfølgende molekyler at binde sig lettere i rækkefølge. Dette sker, når det jern, der er bundet til ilten, løftes, så det ligger i samme plan som ringen. Dette tvinger den histidinrest, som den er bundet til, til også at bevæge sig, hvilket igen tvinger alfa-helixen, hvor histidinen er bundet, til at bevæge sig. Carboxylterminalen i enden af helixen er placeret ved grænsefladen mellem de to alfa-beta-dimere og begunstiger derfor overgangen til R-tilstand. Samlet set er R-tilstanden mere stabil end T-tilstanden, men under visse betingelser kan dette ændre sig.

3-oxyhæmoglobinets iltaffinitet er ca. 300 gange større end dets deoxyhæmoglobins modstykke. Denne adfærd fører til, at affinitetskurven for hæmoglobin bliver sigmoidal og ikke hyperbolisk som ved det monomere myoglobins affinitetskurve. På samme måde er hæmoglobins evne til at miste ilt større, efterhånden som færre iltmolekyler er bundet. Denne kooperativitet kan ses i hæmoglobin, når en af iltenhederne binder sig til en af tetramerens underenheder. Dette vil øge sandsynligheden for, at de tre andre steder binder sig til ilten.

Et eksempel på homotropisk kooperativitet er den effekt, som substratmolekylet har på affiniteten.

Et eksempel på heterotropisk kooperativitet er, når et tredje stof forårsager en ændring af affiniteten.

Koncerterede model for kooperativitetRediger

Den samordnede model (symmetri-modellen eller MWC-modellen): enzymunderenhederne er forbundet på en sådan måde, at en konformationsændring i én underenhed nødvendigvis overføres til alle andre underenheder. Alle underenheder må således eksistere i den samme konformation. Eksempel: I hæmoglobin ændrer tetrameren konformation sammen (R-tilstand), efter at fire iltmolekyler binder sig til alle fire monomerer. Overgangen fra T-tilstand til R-tilstand sker i ét trin.

Den samordnede model, også kendt som MWC-modellen eller symmetri-modellen, for hæmoglobin bruges til at forklare kooperativiteten i iltbinding samt overgange hos proteiner, der består af identiske underenheder. Den fokuserer på de to tilstande af hæmoglobin; T- og R-tilstandene. Hæmoglobinets T-tilstand er mere spændt, da det er i deoxyhæmoglobinformen, mens hæmoglobinets R-tilstand er mere afslappet, da det er i oxyhæmoglobinformen. T-tilstanden er spændt på grund af interaktionerne mellem underenhed og underenhed, mens R-tilstanden er mere fleksibel på grund af muligheden for iltbinding. Bindingen af ilt på et sted øger bindingsaffiniteten på andre aktive steder. I den samordnede model for hæmoglobin viser den således, at den ene iltbinding til et aktivt sted vil øge sandsynligheden for, at anden iltbinding til de andre aktive steder vil øge sandsynligheden for, at anden ilt bindes til de andre aktive steder. I en samordnet model skal alle iltbindingssteder på hæmoglobin i T-tilstand være bundet, før det kan overgå til R-tilstand. Dette gælder også ved omdannelsen fra R-tilstanden til T-tilstanden, hvor al bundet ilt skal frigives, før der kan ske en fuldstændig omdannelse. Ved hvert niveau af iltbelastning findes der en ligevægt mellem T-tilstanden og R-tilstanden. Ligevægten skifter fra en stærk begunstigelse af T-tilstanden (ingen bundet ilt) til en stærk begunstigelse af R-tilstanden (fuldt belagt med ilt). Samlet set forskyder iltbinding ligevægten i retning af R-tilstanden. Det betyder, at ved høje iltniveauer vil R-formen være fremherskende, og ved lavere iltniveauer vil T-formen være fremherskende. Allosteriske effektorer af hæmoglobin, som f.eks. 2,3-BPG, fungerer ved at forskyde ligevægten i retning af eller væk fra T-tilstanden, afhængigt af om det er en inhibitor eller en promotor. Denne model og den sekventielle model viser de ekstreme tilfælde af R- og T-overgange. I et virkeligt system er egenskaber fra begge modeller nødvendige for at forklare hæmoglobins opførsel.

Sekventiel model for kooperativitetRediger

Den sekventiel model: Underenhederne er ikke forbundet på en sådan måde, at en konformationsændring i den ene inducerer en lignende ændring i de andre. Alle enzymunderenheder behøver ikke nødvendigvis at have den samme konformation. Den sekventielle model siger, at substratmolekyler binder gennem en induceret tilpasning. Eksempel: I hæmoglobin ændrer de fire monomerer konformation (R-tilstand) én ad gangen, når ilt binder sig til hver enkelt monomer. Dette gør det muligt for hæmoglobin at have monomerer i R-tilstand og monomerer i T-tilstand.

Den sekventielle model af hæmoglobin forklarer den kooperativitet, der er involveret i bindingen af ilt. Denne model følger det koncept, at efter at bindingen sker på ét sted i det aktive sted, vil bindingsaffiniteten i de andre steder omkring proteinet også stige. Derfor har plottet af substratkoncentrationen i forhold til reaktionshastigheden en sigmoidal form. På grund af denne kooperativitet følger den ikke Michaelis-Menten-kinetikken. Forskellen mellem denne model og den samordnede model er, at T-tilstandene ikke behøver at konvertere til R-tilstande alle på én gang. I denne model vil liganden ændre konformationen af den underenhed, som den er bundet til, og inducere ændringer i de tilstødende underenheder. Den sekventielle model kræver ikke, at molekylets samlede tilstand kun skal være i T-tilstand eller kun i R-tilstand. Hvert bindingssted påvirker simpelthen de nærliggende bindingssteder, indtil alle bindingsstederne er i samme tilstand. Hverken den sekventielle model eller den samordnede model forklarer fuldt ud hæmoglobins natur. Egenskaber fra begge modeller optræder i et virkeligt system.