Structural Biochemistry/Protein function/Binding Sites/Cooperativity

Kooperatiivinen sitoutuminen voi tuottaa negatiivista kooperatiivisuutta, positiivista kooperatiivisuutta, heterotrooppista kooperatiivisuutta ja homotrooppista kooperatiivisuutta.

Negatiivinen kooperatiivisuusMuokkaa

Esimerkkinä negatiivisesta kooperatiivisuudesta on sitoutumisaffiniteetin pieneneminen sen jälkeen, kun toinen sidospaikoista on sitoutunut. Kun ligandit sitoutuvat proteiiniin, proteiinin affiniteetti ligandiin vähenee. Esimerkiksi glyseraldehydi-3-fosfaatin ja glyseraldehydi-3-fosfaattidehydrogenaasientsyymin välinen suhde on selkeä esimerkki tästä prosessista.

Positiivinen kooperatiivisuusEdit

Hemoglobiini koostuu neljästä alayksiköstä. Jos yksi alayksikkö sitoutuu happeen, se lisää kolmen muun alayksikön mahdollisuutta tehdä samoin.

Esimerkki positiivisesta kooperatiivisuudesta voidaan nähdä, kun substraatti sitoutuu entsyymiin, jolla on useita sitoutumispaikkoja, ja tämä muutos vaikuttaa muihin sitoutumispaikkoihin.

Tämä käyttäytyminen nähdään hapen sitoutuessa hemoglobiiniin muodostaen oksyhemoglobiinia. Hemoglobiini koostuu neljästä alayksiköstä, kahdesta alfa- ja kahdesta beeta-alayksiköstä. Ne liittyvät yhteen muodostaen tetrameerin, jossa kullakin alayksiköllä on oma aktiivinen alue, johon happi sitoutuu. Tämä aktiivinen alue sisältää porfyriinirengasrakenteen, jonka keskellä on rauta-atomi. Kun alayksikkö ei ole sitoutunut happeen, rauta on noin 0,4 A renkaan tason alapuolella. Kun tetrameeri on tässä tilassa, sen katsotaan olevan T-tilassa eli jännittyneessä tilassa.

R-tila eli rento tila syntyy, kun hemoglobiini on sitoutunut happeen. Deoksihemoglobiinilla eli T-tilalla on alhainen affiniteetti happea kohtaan. Kun yksi molekyyli kuitenkin sitoutuu yhteen hemiin, hapen affiniteetti kasvaa, jolloin seuraavat molekyylit voivat sitoutua helpommin peräkkäin. Tämä tapahtuu, kun happeen sitoutunut rauta nostetaan samaan tasoon renkaan kanssa. Tämä pakottaa myös siihen kiinnittyneen histidiinijäännöksen liikkumaan, mikä puolestaan pakottaa alfa-kierteen, johon histidiini on kiinnittynyt, liikkumaan. Kierteen päässä oleva karboksyyliterminaali sijaitsee kahden alfa-beta-dimeerin rajapinnassa, mikä suosii R-tilan siirtymää. Kaiken kaikkiaan R-tila on vakaampi kuin T-tila, mutta tietyissä olosuhteissa tämä voi muuttua.

3-oksihemoglobiinin happiaffiniteetti on noin 300 kertaa suurempi kuin sen deoksihemoglobiinivastineen. Tämä käyttäytyminen johtaa siihen, että hemoglobiinin affiniteettikäyrästä tulee sigmoidinen, ei hyperbolinen kuten monomeerisen myoglobiinin affiniteettikäyrällä. Samoin hemoglobiinin kyky menettää happea on sitä suurempi, mitä vähemmän happimolekyylejä on sitoutunut. Tämä yhteistoiminnallisuus näkyy hemoglobiinissa, kun yksi happi sitoutuu yhteen tetrameerin alayksiköistä. Tämä lisää todennäköisyyttä, että kolme muuta paikkaa sitoutuu happeen.

Esimerkki homotrooppisesta kooperatiivisuudesta on substraattimolekyylin vaikutus sen affiniteettiin.

Esimerkki heterotrooppisesta kooperatiivisuudesta on, kun kolmas aine aiheuttaa muutoksen affiniteetissa.

Kooperatiivisuuden konserttimalliEdit

Konserttimalli (symmetriamalli tai MWC-malli): entsyymin alayksiköt ovat yhteydessä toisiinsa siten, että konformaatiomuutos yhdessä alayksikössä siirtyy väistämättä kaikkiin muihin alayksiköihin. Näin ollen kaikkien alayksiköiden on oltava samassa konformaatiossa. Esimerkki: Hemoglobiinissa tetrameeri muuttaa konformaatiota yhdessä (R-tila), kun neljä happimolekyyliä sitoutuu kaikkiin neljään monomeeriin. Siirtyminen T-tilasta R-tilaan tapahtuu yhdessä vaiheessa.

Hämoglobiinin yhteistoimintamallia, joka tunnetaan myös nimellä MWC-malli tai symmetriamalli, käytetään selittämään hapen sitoutumisen yhteistoiminnallisuutta sekä identtisistä alayksiköistä koostuvien proteiinien siirtymiä. Siinä keskitytään hemoglobiinin kahteen tilaan, T- ja R-tilaan. Hemoglobiinin T-tila on jännittyneempi, koska se on deoksihemoglobiinimuodossa, kun taas hemoglobiinin R-tila on rentoutuneempi, koska se on oksihemoglobiinimuodossa. T-tila on sidottu alayksikön ja alayksikön välisten vuorovaikutusten vuoksi, kun taas R-tila on joustavampi hapen sitoutumiskyvyn vuoksi. Hapen sitoutuminen yhteen kohtaan lisää sitoutumisaffiniteettia muissa aktiivisissa kohdissa. Näin ollen hemoglobiinin konserttimalli osoittaa, että yhden hapen sitoutuminen aktiiviseen kohtaan lisää muiden happien todennäköisyyttä sitoutua muihin aktiivisiin kohtiin. Konserttimallissa hemoglobiinin kaikkien T-tilassa olevien happea sitovien paikkojen on oltava sitoutuneita ennen kuin ne muuttuvat R-tilaan. Tämä pätee myös muunnoksessa R-tilasta T-tilaan, jossa kaikki sitoutunut happi on vapautettava, ennen kuin täydellinen muunnos voi tapahtua. Kullakin happikuormituksen tasolla T- ja R-tilan välillä vallitsee tasapaino. Tasapaino siirtyy vahvasti T-tilaa suosivasta (ei sidottua happea) vahvasti R-tilaa suosivaan (täysin hapella kuormitettu) tilaan. Kaiken kaikkiaan hapen sitoutuminen siirtää tasapainoa kohti R-tilaa. Tämä tarkoittaa, että korkeilla happipitoisuuksilla R-muoto on vallitseva ja alhaisilla happipitoisuuksilla T-muoto on vallitseva. Hemoglobiinin allosteriset vaikuttajat, kuten 2,3-BPG, toimivat siirtämällä tasapainoa kohti tai poispäin T-tilasta, riippuen siitä, onko kyseessä inhibiittori vai promoottori. Tässä mallissa ja sekventiaalisessa mallissa näkyvät R- ja T-siirtymien ääritapaukset. Todellisessa systeemissä tarvitaan molempien mallien ominaisuuksia selittämään hemoglobiinin käyttäytymistä.

Sekventiaalinen yhteistoimintamalliMuokkaa

Sekventiaalinen malli: alayksiköt eivät ole yhteydessä toisiinsa siten, että konformaatiomuutos yhdessä saa aikaan samanlaisen muutoksen muissa. Kaikkien entsyymin alayksiköiden ei tarvitse olla samassa konformaatiossa. Sekventiaalisen mallin mukaan substraattimolekyylit sitoutuvat indusoidun sovituksen kautta. Esimerkki: Hemoglobiinissa neljä monomeeria muuttaa konformaatiota (R-tila) yksi kerrallaan, kun happi sitoutuu kuhunkin monomeeriin. Näin hemoglobiinissa voi olla R-tilan monomeerejä ja T-tilan monomeerejä.

Sekvenssimalli hemoglobiinista selittää hapen sitoutumiseen liittyvän yhteistoiminnallisuuden. Tämä malli noudattaa ajatusta, jonka mukaan sen jälkeen, kun sitoutuminen tapahtuu yhdessä aktiivisen alueen paikassa, sitoutumisaffiniteetti kasvaa myös muissa proteiinin ympärillä olevissa paikoissa. Näin ollen substraattikonsentraation ja reaktionopeuden välinen kuvaaja on sigmoidin muotoinen. Tämän yhteistoiminnallisuuden vuoksi se ei noudata Michaelis-Mentenin kinetiikkaa. Ero tämän mallin ja konserttimallin välillä on se, että T-tilojen ei tarvitse muuttua R-tiloiksi kerralla. Tässä mallissa ligandi muuttaa sen alayksikön konformaatiota, johon se on sitoutunut, ja aiheuttaa muutoksia naapurialayksiköissä. Sekventiaalinen malli ei edellytä, että molekyylin kokonaistilan on oltava vain T-tilassa tai vain R-tilassa. Yksinkertaisesti jokainen sitoutumiskohta vaikuttaa läheisiin sitoutumiskohtiin, kunnes kaikki sitoutumiskohdat ovat samassa tilassa. Sekventiaalinen malli tai yhteensovitettu malli eivät kumpikaan täysin selitä hemoglobiinin luonnetta. Molempien mallien ominaisuuksia esiintyy todellisessa systeemissä.