Szerkezeti biokémia/Proteinfunkció/kötőhelyek/kooperativitás

A kooperatív kötődés negatív kooperativitást, pozitív kooperativitást, heterotróp kooperativitást és homotróp kooperativitást eredményezhet.

Negatív kooperativitásSzerkesztés

A negatív kooperativitásra példa a kötési affinitás csökkenése, ha az egyik kötőhely kötődik. Ahogy a ligandok kötődnek a fehérjéhez, úgy csökken a fehérje affinitása a ligandhoz. Például a gliceraldehid-3-foszfát és a gliceraldehid-3-foszfát-dehidrogenáz enzim közötti kapcsolat egyértelmű példája ennek a folyamatnak.

Pozitív kooperativitásSzerkesztés

A hemoglobin négy alegységből áll. Ha az egyik alegység oxigénhez kötődik, az növeli annak az esélyét, hogy a másik három is ugyanezt teszi.

A pozitív kooperativitásra példa lehet, amikor egy szubsztrát egy több kötőhellyel rendelkező enzimhez kötődik, és a többi kötőhelyre is hatással van ez a változás.

Ez a viselkedés az oxigénnek a hemoglobinhoz való kötődésénél látható, így oxi-hemoglobin keletkezik. A hemoglobin négy alegységből, két alfa és két béta alegységből áll. Ezek egy tetramerré állnak össze, és mindegyik alegységnek megvan a maga aktív helye, amelyhez oxigént köt. Ez az aktív hely egy porfirin gyűrűszerkezetet tartalmaz, amelynek közepén egy vasatom található. Amikor az alegység nem kötődik oxigénhez, a vas körülbelül 0,4 A-val a gyűrű síkja alatt van. Amikor a tetramer ebben az állapotban van, T-állapotúnak vagy feszült állapotnak tekintjük.

Az R-állapot, vagy relaxált állapot akkor következik be, amikor a hemoglobin oxigénhez kötődött. A dezoxi-hemoglobinnak, vagyis a T-állapotnak alacsony az oxigén iránti affinitása. Amikor azonban egy molekula egyetlen hemhez kötődik, az oxigén-affinitás megnő, ami lehetővé teszi, hogy a következő molekulák egymás után könnyebben kötődjenek. Ez akkor következik be, amikor az oxigénhez kötött vasat felemelik, hogy a gyűrűvel azonos síkban feküdjön. Ez arra kényszeríti a hozzá kapcsolódó hisztidin-maradékot, hogy szintén elmozduljon, ami viszont arra kényszeríti az alfa-hélixet, amelyhez a hisztidin kapcsolódik, hogy elmozduljon. A spirál végén lévő karboxilvégződés a két alfa-béta dimer határfelületén helyezkedik el, ezért kedvez az R-állapotú átmenetnek. Összességében az R-állapot stabilabb, mint a T-állapot, de bizonyos körülmények között ez megváltozhat.

A 3-oxi-hemoglobin oxigénaffinitása körülbelül 300-szor nagyobb, mint a dezoxi-hemoglobin megfelelőjéé. Ez a viselkedés ahhoz vezet, hogy a hemoglobin affinitási görbéje szigmoidális lesz, nem pedig hiperbolikus, mint a monomer miooglobin affinitási görbéje. Ugyanígy a hemoglobin oxigénvesztő képessége is nagyobb, mivel kevesebb oxigénmolekulát köt meg. Ez a kooperativitás látható a hemoglobinban, amikor az egyik oxigén a tetramer egyik alegységéhez kötődik. Ez növeli annak a valószínűségét, hogy a másik három hely oxigénhez kötődik.

A homotróp kooperativitásra példa a szubsztrátmolekula affinitásra gyakorolt hatása.

A heterotróp kooperativitásra példa, amikor egy harmadik anyag változást okoz az affinitásban.

A kooperativitás összehangolt modelljeSzerkesztés

A összehangolt modell (szimmetria modell vagy MWC modell): Az enzim alegységek úgy kapcsolódnak egymáshoz, hogy az egyik alegység konformációs változása szükségszerűen átadódik az összes többi alegységnek. Így minden alegységnek ugyanabban a konformációban kell léteznie. Példa: A hemoglobinban a tetramer együttesen konformációt változtat (R állapot), miután négy oxigénmolekula mind a négy monomerhez kötődik. A T állapotból az R állapotba való átmenet egy lépésben történik.

A hemoglobin kooperativitásának, valamint az azonos alegységekből álló fehérjék átmeneteinek magyarázatára a koncertált modell, más néven MWC-modell vagy szimmetriamodell szolgál. A hemoglobin két állapotára, a T és az R állapotra összpontosít. A hemoglobin T állapota feszesebb, mivel a dezoxi-hemoglobin formában van, míg a hemoglobin R állapota nyugodtabb, mivel az oxi-hemoglobin formában van. A T állapot az alegység-alegységek közötti kölcsönhatások miatt kötött, míg az R állapot az oxigén megkötésének képessége miatt rugalmasabb. Az oxigén kötődése az egyik helyen növeli a kötési affinitást a többi aktív helyen. Így a hemoglobin összehangolt modellje azt mutatja, hogy az egyik aktív helyhez kötődő oxigén növeli a többi aktív helyhez kötődő többi oxigén kötődésének valószínűségét. Az összehangolt modellben a hemoglobin összes T-állapotban lévő oxigénkötő helyét le kell kötni, mielőtt az R-állapotba alakulna át. Ez igaz az R állapotból a T állapotba történő átalakuláskor is, ahol a teljes átalakulás előtt minden megkötött oxigént fel kell szabadítani. Az oxigénterhelés minden szintjén egyensúly áll fenn a T-állapot és az R-állapot között. Az egyensúly a T-állapotot erősen előnyben részesítő (nincs oxigén megkötve) és az R-állapotot erősen előnyben részesítő (oxigénnel teljesen betöltött) állapot között változik. Összességében az oxigén megkötése az egyensúlyt az R-állapot felé tolja el. Ez azt jelenti, hogy magas oxigénszint esetén az R-állapotú forma, alacsonyabb oxigénszint esetén pedig a T-állapotú forma lesz túlsúlyban. A hemoglobin alloszterikus effektorai, mint például a 2,3-BPG, úgy működnek, hogy az egyensúlyt a T-állapot felé vagy a T-állapottól távolabb tolják el, attól függően, hogy inhibitorról vagy promóterről van-e szó. Ez a modell és a szekvenciális modell az R és T átmenetek szélsőséges eseteit jeleníti meg. Egy valós rendszerben mindkét modell tulajdonságai szükségesek a hemoglobin viselkedésének magyarázatához.

A kooperativitás szekvenciális modelljeSzerkesztés

A szekvenciális modell: Az alegységek nem úgy kapcsolódnak egymáshoz, hogy az egyikben bekövetkező konformációs változás hasonló változást idézzen elő a többiben. Nem szükséges, hogy minden enzim alegységnek ugyanaz a konformációja legyen. A szekvenciális modell szerint a szubsztrátmolekulák egy indukált illeszkedésen keresztül kötődnek. Példa: A hemoglobinban a négy monomer egyenként változtatja meg konformációját (R állapot), ahogy az oxigén minden egyes monomerhez kötődik. Ez teszi lehetővé, hogy a hemoglobinnak R állapotú monomerjei és T állapotú monomerjei legyenek.

A hemoglobin szekvenciális modellje megmagyarázza az oxigén megkötésében szerepet játszó kooperativitást. Ez a modell azt a koncepciót követi, hogy miután a kötődés az aktív hely egyik helyén bekövetkezik, a fehérje körüli többi helyen is megnő a kötési affinitás. Ezért a szubsztrátkoncentráció és a reakciósebesség diagramja szigmoid alakú. E kooperativitás miatt nem követi a Michaelis-Menten kinetikát. A különbség e modell és a koncertált modell között az, hogy a T állapotoknak nem kell egyszerre R állapotokká alakulniuk. Ebben a modellben a ligandum megváltoztatja annak az alegységnek a konformációját, amelyhez kötődik, és változásokat indukál a szomszédos alegységekben. A szekvenciális modell nem követeli meg, hogy a molekula teljes állapota csak T állapotban vagy csak R állapotban legyen. Egyszerűen minden egyes kötőhely addig befolyásolja a közeli kötőhelyeket, amíg az összes kötőhely azonos állapotba nem kerül. Sem a szekvenciális modell, sem az összehangolt modell nem magyarázza meg teljesen a hemoglobin természetét. Mindkét modell tulajdonságai megjelennek egy valós rendszerben.