Strukturbiochemie/Proteinfunktion/Bindungsstellen/Kooperativität

Kooperative Bindung kann zu negativer Kooperativität, positiver Kooperativität, heterotroper Kooperativität und homotroper Kooperativität führen.

Negative KooperativitätBearbeiten

Ein Beispiel für negative Kooperativität ist die Abnahme der Bindungsaffinität, sobald eine der Stellen gebunden ist. Wenn Liganden an das Protein binden, nimmt die Affinität des Proteins für den Liganden ab. Die Beziehung zwischen Glyceraldehyd-3-phosphat und dem Enzym Glyceraldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase ist ein deutliches Beispiel für diesen Prozess.

Positive KooperativitätBearbeiten

Hämoglobin besteht aus vier Untereinheiten. Wenn eine Untereinheit an Sauerstoff bindet, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass die anderen drei dasselbe tun.

Ein Beispiel für positive Kooperativität ist, wenn ein Substrat an ein Enzym mit mehreren Bindungsstellen bindet und die anderen Bindungsstellen von dieser Veränderung betroffen sind.

Dieses Verhalten ist bei der Bindung von Sauerstoff an Hämoglobin zu beobachten, wobei Oxyhämoglobin entsteht. Hämoglobin besteht aus vier Untereinheiten, zwei Alpha- und zwei Beta-Untereinheiten. Sie kommen zusammen, um ein Tetramer zu bilden, wobei jede Untereinheit ihre eigene aktive Stelle hat, an der sie Sauerstoff bindet. Diese aktive Stelle enthält eine Porphyrin-Ringstruktur mit einem Eisenatom in der Mitte. Wenn die Untereinheit nicht an einen Sauerstoff gebunden ist, befindet sich das Eisen etwa 0,4 A unterhalb der Ebene des Rings. In diesem Zustand befindet sich das Tetramer im T-Zustand oder gespannten Zustand.

Der R-Zustand oder entspannte Zustand tritt auf, wenn das Hämoglobin an Sauerstoff gebunden ist. Desoxyhämoglobin, oder der T-Zustand, hat eine geringe Affinität für Sauerstoff. Wenn jedoch ein Molekül an ein einzelnes Häm bindet, erhöht sich die Sauerstoffaffinität, so dass sich die nachfolgenden Moleküle leichter aneinander binden können. Dies geschieht, wenn das an den Sauerstoff gebundene Eisen angehoben wird, so dass es in der gleichen Ebene wie der Ring liegt. Dies zwingt den Histidinrest, an den es gebunden ist, sich ebenfalls zu bewegen, was wiederum die Alpha-Helix, an die das Histidin gebunden ist, in Bewegung versetzt. Das Carboxylende am Ende der Helix befindet sich an der Schnittstelle der beiden Alpha-Beta-Dimere und begünstigt daher den Übergang in den R-Zustand. Insgesamt ist der R-Zustand stabiler als der T-Zustand, aber unter bestimmten Bedingungen kann sich dies ändern.

Die Sauerstoffaffinität des 3-Oxyhämoglobins ist etwa 300 Mal größer als die seines Desoxyhämoglobin-Gegenstücks. Dieses Verhalten führt dazu, dass die Affinitätskurve des Hämoglobins sigmoidal verläuft und nicht hyperbolisch wie bei der Affinitätskurve des monomeren Myoglobins. Ebenso ist die Fähigkeit des Hämoglobins, Sauerstoff zu verlieren, umso größer, je weniger Sauerstoffmoleküle gebunden sind. Diese Kooperativität zeigt sich bei Hämoglobin, wenn einer der Sauerstoffmoleküle an eine der Untereinheiten des Tetramers bindet. Dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass die anderen drei Stellen Sauerstoff binden.

Ein Beispiel für homotrope Kooperativität ist die Auswirkung des Substratmoleküls auf seine Affinität.

Ein Beispiel für heterotrope Kooperativität ist, wenn eine dritte Substanz eine Änderung der Affinität bewirkt.

Konzertiertes Modell der KooperativitätBearbeiten

Das konzertierte Modell (Symmetriemodell oder MWC-Modell): Enzymuntereinheiten sind so miteinander verbunden, dass eine Konformationsänderung in einer Untereinheit zwangsläufig auf alle anderen Untereinheiten übertragen wird. Es müssen also alle Untereinheiten in der gleichen Konformation vorliegen. Beispiel: Im Hämoglobin ändert das Tetramer seine Konformation gemeinsam (R-Zustand), nachdem vier Sauerstoffmoleküle an alle vier Monomere gebunden haben. Der Übergang vom T-Zustand zum R-Zustand erfolgt in einem Schritt.

Das Konzertierte Modell, auch bekannt als MWC-Modell oder Symmetriemodell, des Hämoglobins wird verwendet, um die Kooperativität bei der Sauerstoffbindung sowie die Übergänge von Proteinen zu erklären, die aus identischen Untereinheiten bestehen. Es konzentriert sich auf die beiden Zustände des Hämoglobins, den T- und den R-Zustand. Der T-Zustand des Hämoglobins ist angespannter, da er sich in der Desoxyhämoglobinform befindet, während der R-Zustand des Hämoglobins entspannter ist, da er sich in der Oxyhämglobinform befindet. Der T-Zustand ist aufgrund der Untereinheit-Untereinheit-Wechselwirkungen eingeschränkt, während der R-Zustand aufgrund der Fähigkeit zur Sauerstoffbindung flexibler ist. Die Bindung von Sauerstoff an einer Stelle erhöht die Bindungsaffinität an anderen aktiven Stellen. Im konzertierten Modell des Hämoglobins zeigt sich also, dass die Bindung eines Sauerstoffs an eine aktive Stelle die Wahrscheinlichkeit der Bindung von anderem Sauerstoff an andere aktive Stellen erhöht. In einem konzertierten Modell müssen alle Sauerstoffbindungsstellen am Hämoglobin im T-Zustand gebunden sein, bevor es in den R-Zustand übergeht. Dies gilt auch für die Umwandlung vom R-Zustand in den T-Zustand, bei der der gesamte gebundene Sauerstoff freigesetzt werden muss, bevor eine vollständige Umwandlung stattfinden kann. Bei jedem Grad der Sauerstoffbeladung besteht ein Gleichgewicht zwischen dem T-Zustand und dem R-Zustand. Das Gleichgewicht verschiebt sich von einem stark begünstigten T-Zustand (kein gebundener Sauerstoff) zu einem stark begünstigten R-Zustand (vollständig mit Sauerstoff beladen). Insgesamt verschiebt sich das Gleichgewicht durch die Sauerstoffbindung in Richtung des R-Zustands. Das bedeutet, dass bei hohen Sauerstoffkonzentrationen die R-Form und bei niedrigeren Sauerstoffkonzentrationen die T-Form vorherrschen wird. Allosterische Hämoglobin-Effektoren wie 2,3-BPG verschieben das Gleichgewicht zum T-Zustand hin oder von ihm weg, je nachdem, ob es sich um einen Inhibitor oder einen Promotor handelt. Dieses Modell und das sequenzielle Modell zeigen die Extremfälle von R- und T-Übergängen. In einem realen System werden die Eigenschaften beider Modelle benötigt, um das Verhalten von Hämoglobin zu erklären.

Sequentielles Modell der KooperativitätBearbeiten

Das sequentielle Modell: Untereinheiten sind nicht so miteinander verbunden, dass eine Konformationsänderung in einer Untereinheit eine ähnliche Änderung in den anderen Untereinheiten hervorruft. Es müssen nicht alle Untereinheiten des Enzyms die gleiche Konformation aufweisen. Das sequentielle Modell besagt, dass Substratmoleküle durch eine induzierte Passung gebunden werden. Beispiel: Im Hämoglobin ändern die vier Monomere nacheinander ihre Konformation (R-Zustand), wenn sich Sauerstoff an jedes Monomer bindet. Dadurch kann Hämoglobin Monomere im R-Zustand und Monomere im T-Zustand haben.

Das sequenzielle Modell des Hämoglobins erklärt die Kooperativität bei der Bindung von Sauerstoff. Dieses Modell beruht auf dem Konzept, dass nach der Bindung an einer Stelle im aktiven Zentrum die Bindungsaffinität an den anderen Stellen um das Protein herum ebenfalls zunimmt. Daher ist der Verlauf der Substratkonzentration gegenüber der Reaktionsgeschwindigkeit sigmoidal. Aufgrund dieser Kooperativität folgt sie nicht der Michaelis-Menten-Kinetik. Der Unterschied zwischen diesem Modell und dem konzertierten Modell besteht darin, dass die T-Zustände nicht alle auf einmal in R-Zustände übergehen müssen. In diesem Modell verändert der Ligand die Konformation der Untereinheit, an die er gebunden ist, und induziert Veränderungen in den benachbarten Untereinheiten. Das sequenzielle Modell erfordert nicht, dass sich der Gesamtzustand des Moleküls nur im T-Zustand oder nur im R-Zustand befindet. Jede Bindungsstelle beeinflusst einfach die benachbarten Bindungsstellen, bis sich alle Bindungsstellen im gleichen Zustand befinden. Weder das sequentielle Modell noch das konzertierte Modell erklären die Natur des Hämoglobins vollständig. Eigenschaften beider Modelle treten in einem realen System auf.