Biochimie structurale/Fonction des protéines/Sites de liaison/Coopérativité

La liaison coopérative peut produire une coopérativité négative, une coopérativité positive, une coopérativité hétérotropique et une coopérativité homotropique.

Coopérativité négativeModifier

Un exemple de coopérativité négative est la diminution de l’affinité de liaison une fois qu’un des sites est lié. À mesure que les ligands se lient à la protéine, l’affinité de la protéine pour le ligand diminue. Par exemple, la relation entre le glycéraldéhyde-3-phosphate et l’enzyme glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase est un exemple clair de ce processus.

Coopérativité positiveEdit

L’hémoglobine est composée de quatre sous-unités. Si une sous-unité se lie à l’oxygène, cela augmente les chances que les trois autres fassent de même.

Un exemple de coopérativité positive peut être observé lorsqu’un substrat se lie à une enzyme ayant plusieurs sites de liaison et que les autres sites de liaison sont affectés par ce changement.

Ce comportement est observé sur la liaison de l’oxygène à l’hémoglobine pour former l’oxyhémoglobine. L’hémoglobine est constituée de quatre sous-unités, deux alpha et deux bêta. Elles s’assemblent pour former un tétramère, chaque sous-unité ayant son propre site actif pour fixer l’oxygène. Ce site actif contient une structure en anneau de porphyrine avec un atome de fer au centre. Lorsque la sous-unité n’est pas liée à un oxygène, le fer se trouve à environ 0,4 A sous le plan de l’anneau. Lorsque le tétramère est dans cet état, il est considéré comme étant dans l’état T ou état tendu.

L’état R, ou état détendu, se produit lorsque l’hémoglobine s’est liée à l’oxygène. La désoxyhémoglobine, ou l’état T, a une faible affinité pour l’oxygène. Cependant, lorsqu’une molécule se lie à un seul hème, l’affinité pour l’oxygène augmente, ce qui permet aux molécules suivantes de se lier plus facilement les unes après les autres. Cela se produit lorsque le fer lié à l’oxygène est soulevé pour se trouver dans le même plan que l’anneau. Cela oblige le résidu d’histidine auquel il est attaché à se déplacer également, ce qui à son tour oblige l’hélice alpha où l’histidine est attachée, à se déplacer. La terminaison carboxyle à l’extrémité de l’hélice est située à l’interface des deux dimères alpha-bêta, ce qui favorise la transition vers l’état R. Globalement l’état R est plus stable que l’état T mais dans certaines conditions cela peut changer.

L’affinité pour l’oxygène de la 3-oxyhémoglobine est environ 300 fois supérieure à celle de son homologue désoxyhémoglobine. Ce comportement conduit à ce que la courbe d’affinité de l’hémoglobine devienne sigmoïdale et non hyperbolique comme pour la courbe d’affinité de la myoglobine monomère. De la même manière, la capacité de l’hémoglobine à perdre de l’oxygène est d’autant plus grande que le nombre de molécules d’oxygène liées est faible. Cette coopérativité peut être observée dans l’hémoglobine lorsque l’un des oxygènes se lie à l’une des sous-unités du tétramère. Cela augmentera la probabilité que les trois autres sites se lient à l’oxygène.

Un exemple de coopérativité homotrope est l’effet que la molécule de substrat a sur son affinité.

Un exemple de coopérativité hétérotrope est lorsqu’une troisième substance provoque une modification de l’affinité.

Modèle concerté de la coopérativitéEdit

Le modèle concerté (modèle de symétrie ou modèle MWC) : les sous-unités de l’enzyme sont connectées de telle manière qu’un changement de conformation dans une sous-unité est nécessairement conféré à toutes les autres sous-unités. Ainsi, toutes les sous-unités doivent exister dans la même conformation. Exemple : Dans l’hémoglobine, le tétramère change de conformation ensemble (état R) après que quatre molécules d’oxygène se soient liées aux quatre monomères. La transition de l’état T à l’état R se produit en une seule étape.

Le modèle concerté, également appelé modèle MWC ou modèle de symétrie, de l’hémoglobine est utilisé pour expliquer la coopérativité dans la liaison de l’oxygène ainsi que les transitions des protéines composées de sous-unités identiques. Il se concentre sur les deux états de l’hémoglobine : les états T et R. L’état T de l’hémoglobine est plus tendu car il s’agit de la forme désoxyhémoglobine, tandis que l’état R de l’hémoglobine est plus détendu car il s’agit de la forme oxyhémoglobine. L’état T est contraint en raison des interactions sous-unité-sous-unité alors que l’état R est plus flexible en raison de la capacité de liaison de l’oxygène. La liaison de l’oxygène à un site augmente l’affinité de liaison dans d’autres sites actifs. Ainsi, le modèle concerté de l’hémoglobine montre que la liaison d’un oxygène à un site actif augmente la probabilité de liaison d’autres oxygènes aux autres sites actifs. Dans un modèle concerté, tous les sites de liaison de l’oxygène sur l’hémoglobine à l’état T doivent être liés avant de passer à l’état R. C’est également vrai dans la conversion de l’état T à l’état R. Cela est également vrai lors de la conversion de l’état R à l’état T, où tout l’oxygène lié doit être libéré avant que la conversion complète puisse avoir lieu. À chaque niveau de charge en oxygène, il existe un équilibre entre l’état T et l’état R. Cet équilibre passe de l’état T à l’état R et inversement. L’équilibre passe d’un état fortement favorable à l’état T (pas d’oxygène lié) à un état fortement favorable à l’état R (entièrement chargé en oxygène). Globalement, la liaison de l’oxygène déplace l’équilibre vers l’état R. Cela signifie qu’à des niveaux élevés d’oxygène, la forme R sera prédominante et qu’à des niveaux plus faibles d’oxygène, la forme T sera prédominante. Les effecteurs allostériques de l’hémoglobine, tels que le 2,3-BPG, fonctionnent en déplaçant l’équilibre vers ou à partir de l’état T, selon qu’il s’agit d’un inhibiteur ou d’un promoteur. Ce modèle et le modèle séquentiel montrent les cas extrêmes de transitions R et T. Dans un système réel, les propriétés des deux modèles sont nécessaires pour expliquer le comportement de l’hémoglobine.

Modèle séquentiel de la coopérativitéEdit

Le modèle séquentiel : les sous-unités ne sont pas connectées de telle manière qu’un changement de conformation dans l’une induit un changement similaire dans les autres. Toutes les sous-unités de l’enzyme ne nécessitent pas la même conformation. Selon le modèle séquentiel, les molécules de substrat se fixent par le biais d’un ajustement induit. Exemple : Dans l’hémoglobine, les quatre monomères changent de conformation (état R) un par un lorsque l’oxygène se lie à chaque monomère. Cela permet à l’hémoglobine d’avoir des monomères d’état R et des monomères d’état T.

Le modèle séquentiel de l’hémoglobine explique la coopérativité impliquée dans la liaison de l’oxygène. Ce modèle suit le concept selon lequel après que la liaison se soit produite sur un site du site actif, l’affinité de liaison dans les autres sites autour de la protéine augmentera également. Par conséquent, le tracé de la concentration du substrat en fonction de la vitesse de réaction a une forme sigmoïdale. En raison de cette coopérativité, la réaction ne suit pas la cinétique de Michaelis-Menten. La différence entre ce modèle et le modèle concerté est que les états T ne doivent pas se convertir en états R en une seule fois. Dans ce modèle, le ligand va changer la conformation de la sous-unité à laquelle il est lié et induire des changements dans les sous-unités voisines. Le modèle séquentiel ne nécessite pas que l’état global de la molécule soit uniquement dans l’état T ou uniquement dans l’état R. Il suffit que chaque site de liaison influence les sous-unités voisines. Simplement, chaque site de liaison influence les sites de liaison voisins jusqu’à ce que tous les sites de liaison soient dans le même état. Ni le modèle séquentiel ni le modèle concerté n’expliquent complètement la nature de l’hémoglobine. Des propriétés des deux modèles apparaissent dans un système réel.

.