Biochemia strukturalna/funkcja białka/miejsca wiążące/kooperatywność

Wiązanie kooperatywne może powodować kooperatywność ujemną, kooperatywność dodatnią, kooperatywność heterotropową i kooperatywność homotropową.

Kooperatywność ujemnaEdit

Przykładem kooperatywności ujemnej jest spadek powinowactwa wiązania po związaniu jednego z miejsc. Gdy ligand wiąże się z białkiem, zmniejsza się powinowactwo białka do liganda. Na przykład związek między gliceraldehydem-3-fosforanem a enzymem dehydrogenazą gliceraldehyd-3-fosforanową jest wyraźnym przykładem tego procesu.

Kooperatywność dodatniaEdit

Hemoglobina składa się z czterech podjednostek. Jeśli jedna podjednostka wiąże się z tlenem, zwiększa to szansę, że pozostałe trzy zrobią to samo.

Przykład pozytywnej kooperatywności można zaobserwować, gdy substrat wiąże się z enzymem posiadającym wiele miejsc wiążących, a na pozostałe miejsca wiążące wpływa ta zmiana.

To zachowanie można zaobserwować podczas wiązania tlenu z hemoglobiną w celu utworzenia oksyhemoglobiny. Hemoglobina jest wykonana z czterech podjednostek, dwóch alfa i dwóch beta. Wchodzą one razem, aby utworzyć tetramer, każda podjednostka ma swoje własne miejsce aktywne do wiązania tlenu do. To aktywne miejsce zawiera strukturę pierścienia porfirynowego z atomem żelaza w środku. Gdy podjednostka nie jest związana z tlenem, żelazo znajduje się około 0,4 A poniżej płaszczyzny pierścienia. Kiedy tetramer jest w tym stanie, uważa się, że jest w stanie T lub napięty state.

Stan R, lub zrelaksowany stan występuje, gdy hemoglobina związała się z tlenem. Deoksyhemoglobina, lub stan T, ma niskie powinowactwo do tlenu. Kiedy jednak jedna cząsteczka wiąże się z pojedynczym hemem, powinowactwo do tlenu wzrasta, co pozwala kolejnym cząsteczkom łatwiej się wiązać. Dzieje się tak, gdy żelazo związane z tlenem jest unoszone tak, aby leżało w tej samej płaszczyźnie co pierścień. Zmusza to resztę histydynową, do której jest ona przyłączona, również do przemieszczania się, co z kolei wymusza przemieszczanie się helisy alfa, do której przyłączona jest histydyna. Terminal karboksylowy na końcu helisy znajduje się na styku dwóch dimerów alfa-beta, co sprzyja przejściu w stan R. Ogólnie rzecz biorąc, stan R jest bardziej stabilny. Ogólnie rzecz biorąc, stan R jest bardziej stabilny niż stan T, ale w pewnych warunkach może się to zmienić.

Powinowactwo tlenowe 3-oksyhemoglobiny jest około 300 razy większe niż jej odpowiednika – deoksyhemoglobiny. Takie zachowanie prowadzi do tego, że krzywa powinowactwa hemoglobiny staje się sigmoidalna, a nie hiperboliczna, jak w przypadku krzywej powinowactwa monomerycznej mioglobiny. W ten sam sposób, zdolność hemoglobiny do utraty tlenu jest większa, ponieważ związana jest mniejsza liczba cząsteczek tlenu. Tę kooperatywność można zaobserwować w Hemoglobinie, gdy jeden z tlenu wiąże się z jedną z podjednostek tetrameru. To zwiększy prawdopodobieństwo, że pozostałe trzy miejsca będą wiązać się z tlenem.

Przykładem homotropowej kooperatywności jest wpływ, jaki ma cząsteczka substratu na jego powinowactwo.

Przykładem kooperatywności heterotropowej jest sytuacja, w której trzecia substancja powoduje zmianę powinowactwa.

Zgodny model kooperatywnościEdit

Model zgodny (model symetrii lub model MWC): podjednostki enzymu są połączone w taki sposób, że zmiana konformacyjna w jednej podjednostce jest koniecznie przekazywana do wszystkich innych podjednostek. Zatem wszystkie podjednostki muszą istnieć w tej samej konformacji. Przykład: W hemoglobinie tetramer zmienia konformację razem (stan R) po tym, jak cztery cząsteczki tlenu zwiążą się ze wszystkimi czterema monomerami. Przejście ze stanu T do stanu R następuje w jednym kroku.

Model Zgodny, znany również jako model MWC lub model symetrii, hemoglobiny jest używany do wyjaśnienia kooperatywności w wiązaniu tlenu, jak również przejścia białek składających się z identycznych podjednostek. Skupia się on na dwóch stanach hemoglobiny: T i R. Stan T hemoglobiny jest bardziej napięty, ponieważ znajduje się w formie deoksyhemoglobiny, podczas gdy stan R hemoglobiny jest bardziej zrelaksowany, ponieważ znajduje się w formie oksyhemglobiny. Stan T jest ograniczony ze względu na interakcje podjednostka-podjednostka, podczas gdy stan R jest bardziej elastyczny ze względu na zdolność wiązania tlenu. Wiązanie tlenu w jednym miejscu zwiększa powinowactwo wiązania w innych miejscach aktywnych. Tak więc w uzgodnionym modelu hemoglobiny, pokazuje on, że jeden tlen wiążący się do miejsca aktywnego zwiększy prawdopodobieństwo wiązania się innego tlenu do innych miejsc aktywnych. W modelu zgodnym, wszystkie miejsca wiążące tlen na Hemoglobinie w stanie T muszą być związane przed konwersją do stanu R. Jest to również prawdziwe w konwersji ze stanu R do stanu T, w którym cały związany tlen musi zostać uwolniony, zanim nastąpi pełna konwersja. Na każdym poziomie obciążenia tlenem, istnieje równowaga pomiędzy stanem T i stanem R. Równowaga przesuwa się od silnie faworyzującego stanu T (brak związanego tlenu) do silnie faworyzującego stanu R (pełne obciążenie tlenem). Ogólnie rzecz biorąc, wiązanie tlenu przesuwa równowagę w kierunku stanu R. Oznacza to, że przy wysokim poziomie tlenu przeważać będzie forma R, a przy niskim poziomie tlenu forma T. Allosteryczne efektory hemoglobiny, takie jak 2,3-BPG, działają poprzez przesunięcie równowagi w kierunku lub z dala od stanu T, w zależności od tego, czy jest to inhibitor czy promotor. Ten model i model sekwencyjny przedstawiają skrajne przypadki przejść R i T. W rzeczywistym systemie, właściwości z obu modeli są potrzebne do wyjaśnienia zachowania hemoglobiny.

Sekwencyjny model kooperatywnościEdit

Model sekwencyjny: podjednostki nie są połączone w taki sposób, że zmiana konformacyjna w jednej indukuje podobną zmianę w pozostałych. Wszystkie podjednostki enzymu nie muszą mieć tej samej konformacji. Model sekwencyjny mówi, że cząsteczki substratu wiążą się poprzez indukowane dopasowanie. Przykład: W hemoglobinie cztery monomery zmieniają konformację (stan R) po jednym na raz, gdy tlen wiąże się z każdym monomerem. Dzięki temu hemoglobina może mieć monomery w stanie R i monomery w stanie T.

Sekwencyjny model hemoglobiny wyjaśnia kooperatywność zaangażowaną w wiązanie tlenu. Model ten opiera się na koncepcji, że po tym jak wiązanie następuje w jednym miejscu w miejscu aktywnym, powinowactwo wiązania w innych miejscach wokół białka również wzrośnie. Stąd, wykres stężenia substratu w stosunku do szybkości reakcji ma kształt sigmoidalny. Z powodu tej kooperatywności, reakcja nie przebiega zgodnie z kinetyką Michaelisa-Mentena. Różnica pomiędzy tym modelem a modelem uzgodnionym polega na tym, że stany T nie muszą przekształcać się w stany R wszystkie w jednym czasie. W tym modelu ligand zmienia konformację podjednostki, z którą jest związany i wywołuje zmiany w sąsiednich podjednostkach. Model sekwencyjny nie wymaga, aby ogólny stan cząsteczki był tylko w stanie T lub tylko w stanie R. Po prostu każde miejsce wiążące wpływa na pobliskie miejsca wiążące. Po prostu, każde miejsce wi±zania wpływa na pobliskie miejsca wi±zania, aż wszystkie miejsca wi±zania będ± w tym samym stanie. Ani model sekwencyjny, ani model uzgodniony nie wyjaśniają w pełni natury hemoglobiny. Właściwości obu modeli pojawiają się w rzeczywistym systemie.

.