Strukturell biokemi/Proteinfunktion/Bindningsställen/Kooperativitet

Kooperativ bindning kan ge negativ kooperativitet, positiv kooperativitet, heterotropisk kooperativitet och homotropisk kooperativitet.

Negativ kooperativitetRedigera

Ett exempel på negativ kooperativitet är minskningen av bindningsaffiniteten när en av ställena är bunden. När ligander binds till proteinet minskar proteinets affinitet för liganden. Till exempel är förhållandet mellan glyceraldehyd-3-fosfat och enzymet glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas ett tydligt exempel på denna process.

Positiv kooperativitetRedigera

Hemoglobin består av fyra underenheter. Om en underenhet binder till syre ökar chansen att de andra tre gör detsamma.

Ett exempel på positiv kooperativitet kan ses när ett substrat binder till ett enzym med flera bindningsställen och de andra bindningsställena påverkas av förändringen.

Detta beteende ses vid bindningen av syre till hemoglobin för att bilda oxyhemoglobin. Hemoglobin består av fyra underenheter, två alfa- och två beta-enheter. De kommer samman för att bilda en tetramer, där varje underenhet har sin egen aktiva plats att binda syre till. Denna aktiva plats innehåller en porfyrinringstruktur med en järnatom i mitten. När underenheten inte är bunden till ett syre befinner sig järnet ungefär 0,4 A under ringens plan. När tetrameren är i detta tillstånd anses den vara i T-tillstånd eller spänt tillstånd.

R-tillståndet, eller det avslappnade tillståndet uppstår när hemoglobin har bundit till syre. Desoxyhemoglobin, eller T-tillståndet, har en låg affinitet för syre. När en molekyl binder till ett enda hem ökar dock syreaffiniteten, vilket gör att de följande molekylerna lättare kan binda efter varandra. Detta sker när det järn som är bundet till syret lyfts så att det ligger i samma plan som ringen. Detta tvingar den histidinrest som den är fäst vid att också röra sig, vilket i sin tur tvingar alfahelixen där histidinet är fäst, att röra sig. Karboxylterminalen i slutet av helixen är belägen vid gränssnittet mellan de två alfa-beta-dimrarna och gynnar därför övergången till R-tillstånd. Sammantaget är R-tillståndet stabilare än T-tillståndet, men under vissa förhållanden kan detta ändras.

Syreaffiniteten hos 3-oxyhemoglobin är cirka 300 gånger större än hos dess motsvarighet deoxyhemoglobin. Detta beteende leder till att hemoglobins affinitetskurva blir sigmoidal, inte hyperbolisk som med det monomera myoglobins affinitetskurva. På samma sätt är hemoglobins förmåga att förlora syre större eftersom färre syremolekyler är bundna. Denna samarbetsförmåga kan ses i hemoglobin när en av syremolekylerna binder till en av tetramerens underenheter. Detta ökar sannolikheten för att de andra tre platserna binder till syre.

Ett exempel på homotropisk kooperativitet är den effekt som substratmolekylen har på affiniteten.

Ett exempel på heterotropisk kooperativitet är när en tredje substans orsakar en förändring av affiniteten.

Koncerterad modell för kooperativitetRedigera

Den samordnade modellen (symmetrimodellen eller MWC-modellen): enzymunderenheterna är sammankopplade på ett sådant sätt att en konformationsförändring i en underenhet nödvändigtvis överförs till alla andra underenheter. Således måste alla underenheter existera i samma konformation. Exempel: I hemoglobin ändrar tetrameren konformation tillsammans (R-tillstånd) efter att fyra syremolekyler bundit till alla fyra monomerer. Övergången från T-tillståndet till R-tillståndet sker i ett steg.

Hemoglobinets samverkansmodell, även kallad MWC-modellen eller symmetrimodellen, används för att förklara kooperativiteten vid syrebindning samt övergångarna hos proteiner som består av identiska underenheter. Modellen fokuserar på de två tillstånden hos hemoglobinet; T- och R-tillstånden. Hemoglobinets T-tillstånd är mer spänt eftersom det befinner sig i deoxyhemoglobinformen medan hemoglobinets R-tillstånd är mer avslappnat eftersom det befinner sig i oxyhemglobinformen. T-tillståndet är spänt på grund av interaktionen mellan underenheterna medan R-tillståndet är mer flexibelt på grund av förmågan att binda syre. Bindningen av syre på en plats ökar bindningsaffiniteten i andra aktiva platser. I den samordnade modellen för hemoglobin visar det sig alltså att om syre binds till en aktiv plats ökar sannolikheten för att annat syre binds till de andra aktiva platserna. I en samordnad modell måste alla syrebindningsställen på hemoglobin i T-tillståndet vara bundna innan de omvandlas till R-tillståndet. Detta gäller även vid omvandlingen från R-tillståndet till T-tillståndet, där allt bundet syre måste frigöras innan fullständig omvandling kan ske. Vid varje nivå av syrebelastning råder jämvikt mellan T-tillståndet och R-tillståndet. Jämvikten skiftar från att starkt gynna T-tillståndet (inget syre bundet) till att starkt gynna R-tillståndet (fullt laddat med syre). Sammantaget förskjuter syrebindning jämvikten mot R-tillståndet. Detta innebär att vid höga syrenivåer kommer R-formen att vara dominerande och vid lägre syrenivåer kommer T-formen att vara dominerande. Allosteriska effektorer av hemoglobin, t.ex. 2,3-BPG, fungerar genom att flytta jämvikten mot eller bort från T-tillståndet, beroende på om det är en hämmare eller en främjare. Denna modell och den sekventiella modellen visar de extrema fallen av R- och T-övergångar. I ett verkligt system behövs egenskaper från båda modellerna för att förklara hemoglobins beteende.

Sekventiell modell för kooperativitetRedigera

Den sekventiella modellen: Underenheterna är inte sammankopplade på ett sådant sätt att en konformationsförändring i en inducerar en liknande förändring i de andra. Alla enzymsubenheter behöver inte ha samma konformation. Enligt den sekventiella modellen binder substratmolekyler genom en inducerad anpassning. Exempel: I hemoglobin ändrar de fyra monomererna konformation (R-tillstånd) en i taget när syre binder till varje monomer. Detta gör att hemoglobin kan ha monomerer i R-tillstånd och monomerer i T-tillstånd.

Den sekventiella modellen för hemoglobin förklarar den kooperativitet som är involverad i bindningen av syre. Denna modell följer konceptet att efter att bindning sker på en plats i den aktiva platsen kommer bindningsaffiniteten i de andra platserna runt om i proteinet också att öka. Därför har diagrammet över substratkoncentrationen i förhållande till reaktionshastigheten en sigmoidform. På grund av denna samarbetsförmåga följer den inte Michaelis-Menten-kinetiken. Skillnaden mellan denna modell och den samverkande modellen är att T-tillstånden inte behöver omvandlas till R-tillstånd alla på en gång. I den här modellen ändrar liganden konformationen hos den underenhet som den är bunden till och inducerar förändringar i de angränsande underenheterna. Den sekventiella modellen kräver inte att molekylens totala tillstånd endast är i T-tillstånd eller endast i R-tillstånd. Varje bindningsställe påverkar helt enkelt närliggande bindningsställen tills alla bindningsställen är i samma tillstånd. Varken den sekventiella modellen eller den samordnade modellen förklarar fullständigt hemoglobins natur. Egenskaper från båda modellerna förekommer i ett verkligt system.

.