Structurele biochemie/eiwitfunctie/bindingsplaatsen/coöperativiteit

Cooperatieve binding kan negatieve coöperativiteit, positieve coöperativiteit, heterotrope coöperativiteit en homotrope coöperativiteit opleveren.

Negatieve coöperativiteitEdit

Een voorbeeld van negatieve coöperativiteit is de afname van de bindingsaffiniteit zodra een van de bindingsplaatsen gebonden is. Naarmate liganden zich aan het eiwit binden, neemt de affiniteit van het eiwit voor het ligand af. Bijvoorbeeld, de relatie tussen glyceraldehyde-3-fosfaat en het enzym glyceraldehyde-3-fosfaat dehydrogenase is een duidelijk voorbeeld van dit proces.

Positieve coöperativiteitEdit

Hemoglobine bestaat uit vier subeenheden. Als één subeenheid zich bindt aan zuurstof, vergroot dit de kans dat de andere drie hetzelfde zullen doen.

Een voorbeeld van positieve coöperativiteit kan worden gezien wanneer een substraat bindt aan een enzym met meerdere bindingsplaatsen en de andere bindingsplaatsen door deze verandering worden beïnvloed.

Dit gedrag is te zien bij de binding van zuurstof aan hemoglobine om oxyhemoglobine te vormen. Hemoglobine bestaat uit vier subeenheden, twee alfa en twee bèta. Zij komen samen om een tetramer te vormen, waarbij elke subeenheid zijn eigen actieve plaats heeft om zuurstof te binden. Deze actieve plaats bevat een porfyrine ringstructuur met een ijzeratoom in het centrum. Wanneer de subeenheid niet aan zuurstof gebonden is, bevindt het ijzer zich ongeveer 0,4 A onder het vlak van de ring. Wanneer het tetrameer zich in deze toestand bevindt, wordt het beschouwd als in de T-staat of gespannen toestand.

De R-staat, of ontspannen toestand, treedt op wanneer hemoglobine zich aan zuurstof heeft gebonden. Deoxyhemoglobine, of de T-staat, heeft een lage affiniteit voor zuurstof. Wanneer één molecuul zich echter aan één heem bindt, neemt de zuurstofaffiniteit toe, waardoor de volgende moleculen zich gemakkelijker achter elkaar kunnen binden. Dit gebeurt wanneer het ijzer dat aan de zuurstof is gebonden, wordt opgetild zodat het in hetzelfde vlak komt te liggen als de ring. Dit dwingt het histidineresidu waaraan het is gebonden ook te bewegen, wat op zijn beurt de alfa-helix waaraan het histidine is gebonden, dwingt te bewegen. De carboxyl-terminal aan het eind van de helix bevindt zich op het grensvlak van de twee alfa-bèta-dimeren, waardoor de R-toestand wordt bevorderd. In het algemeen is de R-staat stabieler dan de T-staat, maar onder bepaalde omstandigheden kan dit veranderen.

De zuurstofaffiniteit van het 3-oxyhemoglobine is ongeveer 300 maal groter dan die van zijn deoxyhemoglobine tegenhanger. Dit gedrag leidt ertoe dat de affiniteitscurve van hemoglobine sigmoïdaal wordt, en niet hyperbolisch zoals bij de affiniteitscurve van monomeer myoglobine. Op dezelfde manier is het vermogen van hemoglobine om zuurstof te verliezen groter naarmate er minder zuurstofmoleculen gebonden zijn. Deze coöperativiteit is te zien in hemoglobine wanneer één van de zuurstofmoleculen zich bindt aan één van de subeenheden van de tetrameer. Hierdoor wordt de kans groter dat de andere drie plaatsen zich aan zuurstof binden.

Een voorbeeld van homotrope coöperativiteit is het effect dat het substraatmolecuul heeft op de affiniteit.

Een voorbeeld van heterotrope coöperativiteit is wanneer een derde stof een verandering in de affiniteit veroorzaakt.

Gecoördineerd model van coöperativiteitEdit

Het gecoördineerde model (symmetriemodel of MWC-model): de subeenheden van een enzym zijn zodanig met elkaar verbonden dat een conformatieverandering in één subeenheid noodzakelijkerwijs wordt doorgegeven aan alle andere subeenheden. Alle subeenheden moeten dus in dezelfde conformatie bestaan. Voorbeeld: In hemoglobine verandert het tetramer gezamenlijk van conformatie (R-toestand) nadat vier zuurstofmoleculen zich aan alle vier de monomeren binden. De overgang van de T-toestand naar de R-toestand gebeurt in één stap.

Het gecoördineerde model, ook bekend als MWC-model of symmetriemodel, van hemoglobine wordt gebruikt om de coöperativiteit bij zuurstofbinding te verklaren, evenals de overgangen van eiwitten die uit identieke subeenheden bestaan. Het richt zich op de twee toestanden van hemoglobine: de T- en R-toestand. De T-toestand van hemoglobine is meer gespannen omdat het zich in de desoxyhemoglobine vorm bevindt, terwijl de R-toestand van hemoglobine meer ontspannen is omdat het zich in de oxyhemoglobine vorm bevindt. De T-toestand is beperkt als gevolg van de interacties tussen de subeenheid en de subeenheid, terwijl de R-toestand flexibeler is als gevolg van de mogelijkheid om zuurstof te binden. De binding van zuurstof op één plaats verhoogt de bindingsaffiniteit op andere actieve plaatsen. In het gecoördineerde model van hemoglobine blijkt dus dat de binding van één zuurstof aan een actieve plaats de kans op binding van andere zuurstof aan de andere actieve plaatsen verhoogt. In een gecoördineerd model moeten alle zuurstofbindingsplaatsen op hemoglobine in de T-toestand gebonden zijn voor de omzetting naar de R-toestand. Dit geldt ook bij de omzetting van de R-toestand naar de T-toestand, waarbij alle gebonden zuurstof moet worden vrijgemaakt voordat volledige omzetting kan plaatsvinden. Bij elk niveau van zuurstofbelasting bestaat er een evenwicht tussen de T-toestand en de R-toestand. Het evenwicht verschuift van sterk in het voordeel van de T-toestand (geen zuurstof gebonden) naar sterk in het voordeel van de R-toestand (volledig geladen met zuurstof). Over het algemeen verschuift het evenwicht door zuurstofbinding in de richting van de R-toestand. Dit betekent dat bij hoge zuurstofconcentraties de R-vorm overheerst en bij lagere zuurstofconcentraties de T-vorm. Allosterische effectoren van hemoglobine, zoals 2,3-BPG, werken door het verschuiven van het evenwicht naar de T-toestand, afhankelijk van of het een remmer of een promotor is. Dit model en het sequentiële model geven de extreme gevallen van R- en T-overgangen weer. In een echt systeem zijn eigenschappen van beide modellen nodig om het gedrag van hemoglobine te verklaren.

Sequentieel model van coöperativiteitEdit

Het sequentiële model: subeenheden zijn niet zodanig met elkaar verbonden dat een conformationele verandering in de ene een soortgelijke verandering in de andere induceert. Alle subunits van het enzym hoeven niet dezelfde conformatie te hebben. Het sequentiële model stelt dat moleculen van substraat zich binden door een geïnduceerde conformatie. Voorbeeld: In hemoglobine veranderen de vier monomeren één voor één van conformatie (R-toestand) wanneer zuurstof zich aan elk monomeer bindt. Hierdoor kan hemoglobine R-staat monomeren en T-staat monomeren hebben.

Het Sequentiële Model van het hemoglobine verklaart de coöperativiteit die betrokken is bij de binding van zuurstof. Dit model volgt het concept dat nadat binding op één plaats in de actieve zone heeft plaatsgevonden, de bindingsaffiniteit op de andere plaatsen rond het eiwit ook zal toenemen. Vandaar dat de plot van substraatconcentratie versus reactiesnelheid een sigmoïdale vorm heeft. Vanwege deze coöperativiteit volgt de reactie niet de Michaelis-Menten kinetiek. Het verschil tussen dit model en het gecoördineerde model is dat de T toestanden niet allemaal tegelijk in R toestanden hoeven over te gaan. In dit model zal het ligand de conformatie veranderen van de subeenheid waaraan het is gebonden en veranderingen induceren in de naburige subeenheden. Het sequentiële model vereist niet dat de totale toestand van het molecuul zich alleen in de T-toestand of alleen in de R-toestand bevindt. Gewoonweg beïnvloedt elke bindingsplaats naburige bindingsplaatsen totdat alle bindingsplaatsen in dezelfde toestand verkeren. Noch het sequentiële model, noch het gecoördineerde model verklaart de aard van hemoglobine volledig. Eigenschappen van beide modellen komen voor in een echt systeem.