A biokémiában az alloszterikus szabályozás (vagy alloszterikus szabályozás ) egy enzim szabályozása azáltal , hogy egy effektor molekulát az enzim aktív helyétől eltérő helyre köt [1] .
Azt a helyet, amelyhez az effektor kötődik, alloszterikus vagy szabályozó helynek nevezzük . Az alloszterikus helyek lehetővé teszik, hogy az effektorok kötődjenek egy fehérjéhez, ami gyakran a fehérje dinamikájával kapcsolatos konformációs változásokhoz vezet. Azokat az effektorokat, amelyek egy fehérje aktivitását növelik, alloszterikus aktivátoroknak , míg azokat, amelyek egy fehérje aktivitását csökkentik, alloszterikus inhibitoroknak nevezik .
Az alloszterikus szabályozás a szabályozási hurkok természetes példája, mint például a későbbi termékektől származó visszacsatolás vagy a kezdeti hordozókról való előrecsatolás. A nagy hatótávolságú allosztéria különösen fontos a sejtjelátvitelben [2] . Az alloszterikus szabályozás különösen fontos a sejt enzimaktivitást szabályozó képessége szempontjából is.
Az allosztéria kifejezés az ókori görög allosz (ἄλλος), „egyéb” és a sztereó (στερεὀς), „szilárd test (tárgy)” szavakból származik. Ez arra a tényre utal, hogy egy alloszterikus fehérje szabályozó helye fizikailag különbözik az aktív helyétől.
Számos alloszterikus hatás magyarázható a Monod, Wyman és Changeo által előterjesztett következetes MWC modellel [ 3] , vagy a Koshland, Nemethyte és Filmer [4] által leírt konzisztens modellel (más néven KNF modellel) . Mindkét modell azt feltételezi, hogy a fehérje alegységek két konformáció egyikében léteznek , feszült (T-feszített) vagy relaxált (R-relaxált), és hogy a relaxált alegységek könnyebben kötődnek a szubsztráthoz, mint a feszült állapotban lévő alegységek. A két modell leginkább az alegységek kölcsönhatására és mindkét állapot preegzisztenciájára vonatkozó feltevéseiben tér el egymástól. Azoknál a fehérjéknél, amelyekben az alegységek kettőnél több konformációban léteznek , a Cuende, Weinstein és LeVine által leírt allosztéria tájmodell használható [5] .
Az allosztéria konszenzusos modellje, amelyet szimmetriamodellnek vagy MWC-modellnek is neveznek, azt feltételezi, hogy az enzimalegységek oly módon kapcsolódnak egymáshoz, hogy az egyik alegységben bekövetkező konformációs változások szükségszerűen átkerülnek az összes többi alegységre. Így minden alegységnek ugyanabban a konformációban kell léteznie. A modell azt is kimondja, hogy ligandum (szubsztrát vagy egyéb) hiányában az egyensúly a T vagy R konformációs állapotok valamelyikének kedvez. Az egyensúly egy ligandum (allosztérikus effektor vagy ligandum ) megkötésével eltolható R vagy T állapotba. ) az aktív oldaltól eltérő webhelyre (allosztérikus hely).
Az allosztérikus szabályozás szekvenciális modellje kimondja, hogy az alegységek nem kapcsolódnak össze úgy, hogy az egyik konformációs változásai hasonló változásokat okozzanak a többiben. Így egy enzim minden alegysége nem igényel azonos konformációt. Ezenkívül a szekvenciális modell azt diktálja, hogy a szubsztrát molekulák egy indukált illeszkedési protokollon keresztül kötődjenek . Bár egy ilyen indukált illeszkedés egy alegységet feszült állapotból ellazult állapotba mozgat, nem terjeszti a konformációs változást a szomszédos alegységekre. Ehelyett az egyik alegység szubsztrátkötése csak kis mértékben változtatja meg a többi alegység szerkezetét, így azok kötőhelyei jobban reagálnak a szubsztrátumra.
Összefoglalva:
Az allosztérikus szabályozás morfiummodellje disszociatív konszenzusmodell [6] .
A morfein egy homooligomer szerkezet, amely fiziológiailag jelentős és funkcionálisan eltérő alternatív kvaterner összeállítások együtteseként létezhet. A morfein alternatív összeállításai közötti átmenetek magukban foglalják az oligomerek disszociációját, a disszociált állapot konformációs változásait, valamint az újraegyesülést egy másik oligomer képzésére. A szükséges oligomer szétszerelési lépés megkülönbözteti az alloszterikus szabályozás morfein modelljét a klasszikus MWC és KNF modellektől.
A porfobilinogén szintáz (PBGS) a morfein prototípusa.
Az alloszterikus szabályozás együttes modelljei számba veszik az alloszterikus rendszer statisztikai együttesét annak potenciális energiafüggvényétől függően, majd az alloszterikus statisztikai méréseket az energiafüggvény bizonyos energiafeltételeihez kapcsolják (például egy intermolekuláris sóhíd két tartomány között) [7] . Az ensemble modellek, mint például az ensemble alloszterikus modell [8] és az Ising alloszterikus modell [9] feltételezik, hogy a rendszer minden régiója két állapotot vehet fel, hasonlóan az MWC modellhez. A Cuendet, Weinstein és LeVine által bevezetett allosztériai tájmodell [5] lehetővé teszi, hogy a tartományoknak tetszőleges számú állapota legyen, és egy adott molekuláris kölcsönhatás hozzájárulása egy adott alloszterikus kölcsönhatáshoz szigorú szabályok segítségével megbecsülhető. A molekuláris dinamikai modellezés segítségével megbecsülhető egy rendszer statisztikai együttese, így az elemezhető egy tájallosztéria modellel.
Az alloszterikus modulációt a molekulák és enzimek aktivitásának megváltoztatására használják a biokémiában és a farmakológiában. Összehasonlításképpen, egy tipikus gyógyszert úgy terveztek, hogy egy enzim aktív helyéhez kötődjön, így megakadályozza a szubsztrát kötődését az enzimhez, ami az enzimaktivitás csökkenését okozza. Az alloszterikus moduláció akkor következik be, amikor egy effektor kötődik egy enzim alloszterikus helyéhez (más néven szabályozó hely), és megváltoztatja az enzim aktivitását. Az alloszterikus modulátorokat úgy tervezték, hogy illeszkedjenek az alloszterikus helyhez, hogy az enzimben konformációs változást idézzenek elő, különösen az aktív hely alakjában, ami változást okoz az enzim aktivitásában. A hagyományos gyógyszerekkel ellentétben a modulátorok nem kompetitív inhibitorok . Lehetnek pozitívak (aktiválóak), amelyek az enzimaktivitás növekedését okozzák, vagy negatívak (gátlók), amelyek az enzimaktivitás csökkenését okozzák. Az alloszterikus moduláció alkalmazása lehetővé teszi a specifikus enzimaktivitás hatásainak szabályozását; ennek eredményeként az alloszterikus modulátorok nagyon hatékonyak a farmakológiában [10] . Egy biológiai rendszerben az alloszterikus modulációt nehéz megkülönböztetni a szubsztrát reprezentációval történő modulációtól .
Erre a modellre példa a Mycobacterium tuberculosis , egy olyan baktérium, amely ideálisan alkalmazkodott az emberi makrofágokban való élethez. Az enzimhelyek összekötőként szolgálnak a különböző szubsztrátok között. Különösen az AMF és a G-6-F között . Az ilyen helyek egyben mechanizmusként is szolgálnak az enzim hatékonyságának meghatározásában [11] .
Pozitív alloszterikus moduláció (más néven alloszterikus aktiválás ) akkor következik be, amikor egy ligandum kötődése növeli a vonzást a szubsztrát molekulák és más kötőhelyek között. Példa erre az oxigénmolekulák kötődése a hemoglobinhoz , ahol az oxigén hatékonyan egyszerre szubsztrát és effektor. Az alloszterikus vagy „egyéb” hely egy szomszédos fehérje alegység aktív helye . Az oxigénnek az egyik alegységhez való kötődése konformációs változást okoz abban az alegységben, amely kölcsönhatásba lép a fennmaradó aktív helyekkel, hogy növelje oxigénaffinitásukat. Az alloszterikus aktiválás egy másik példája a citoszolikus IMP-GMP specifikus 5'-nukleotidáz II-ben (cN-II), ahol a GMP-szubsztrát iránti affinitást a dimer határfelületén történő GTP-kötés növeli.
Negatív alloszterikus moduláció (más néven alloszterikus gátlás ) akkor következik be, amikor az egyik ligandum kötődése csökkenti a szubsztrát affinitását más aktív helyeken. Például, amikor a 2,3-BPG a hemoglobin alloszterikus helyéhez kötődik, az összes alegység oxigénaffinitása csökken. Ez akkor fordul elő, ha a szabályozó nincs jelen a kötési helyen.
A közvetlen trombin inhibitorok kiváló példái a negatív alloszterikus modulációnak. Felfedezték a trombin alloszterikus inhibitorait, amelyek potenciálisan véralvadásgátlóként használhatók.
Egy másik példa a sztrichnin , egy rohamméreg , amely a glicinreceptor alloszterikus inhibitoraként működik . A glicin a fő gátló neurotranszmitter az emlősök gerincvelőjében és agytörzsében . A sztrichnin a glicinreceptor külön kötőhelyén hat allosztérikus módon; vagyis kötődése csökkenti a glicinreceptor glicin iránti affinitását . Így a sztrichnin gátolja a gátló neurotranszmitter hatását, ami görcsökhöz vezet.
Egy másik példa, ahol negatív alloszterikus moduláció figyelhető meg, az ATP és a foszfofruktokináz enzim közötti kapcsolat a glikolízist szabályozó negatív visszacsatolási hurokban . A foszfofruktokináz (általános nevén FFK ) az az enzim, amely katalizálja a glikolízis harmadik lépését: a fruktóz-6-foszfát foszforilációját fruktóz - 1,6-biszfoszfáttá . A PFK alloszterikusan elnyomható a sejtben lévő magas ATP -szinttel. Ha az ATP szintje magas, az ATP a foszfofruktokináz allosztor helyéhez kötődik , ami megváltoztatja az enzim háromdimenziós alakját. Ez a változás az aktív helyen lévő szubsztráthoz ( fruktóz-6-foszfáthoz és ATP -hez) való affinitás csökkenését okozza, és az enzim inaktívvá válik. Emiatt a glikolízis leáll, ha az ATP szintje magas, megőrzi a glükózt a szervezetben, és fenntartja a sejtszintű ATP kiegyensúlyozott szintjét. Így az ATP a PPK negatív alloszterikus modulátoraként szolgál, jóllehet az enzim szubsztrátja is.
A homotróp alloszterikus modulátor a célfehérje szubsztrátja , valamint a fehérjeaktivitás szabályozó molekulája . Általában ez egy fehérje aktivátor [1] . Például az O 2 és a CO a hemoglobin homeotróp alloszterikus modulátorai. Hasonlóképpen, az IMP/GMP-specifikus 5'-nukleotidázban egy GMP-molekula egyetlen tetramer enzim-alegységhez való kötődése a következő alegységek GMP-affinitásának növekedését eredményezi, amint azt a szigmoid szubsztrát a sebesség függvényében ábrázolja.
A heterotróp alloszterikus modulátor egy szabályozó molekula, amely nem enzimszubsztrát. Ez lehet enzimaktivátor vagy inhibitor. Például a H + , C2 és 2,3 - biszfoszfoglicerát a hemoglobin heterotróp alloszterikus modulátorai [12] . Ismét egy IMP/GMP-specifikus 5'-nukleotidázban egy GTP-molekula kötődése a dimer határfelületén egy tetramer enzimben az affinitás növekedését eredményezi a GMP-szubsztrát iránt az aktív helyen, ami heterotróp K-típusú alloszterikus aktivációt jelez. [egy]
Amint azt fentebb részleteztük, egyes alloszterikus fehérjék mind szubsztrátjaikkal, mind más molekulákkal szabályozhatók. Az ilyen fehérjék homotróp és heterotróp kölcsönhatásokra egyaránt képesek [1] .
Egyes alloszterikus aktivátorokat "esszenciális" vagy "kötelező" aktivátoroknak neveznek abban az értelemben, hogy hiányukban a célenzimük aktivitása nagyon alacsony vagy elhanyagolható, mint az N-acetilglutamát aktivitása a karbamoil-foszfát szintetáz I ellen. példa [13] [14] .
A nem szabályozó alloszterikus hely egy enzim (vagy bármely fehérje) bármely nem szabályozó komponense, amely önmagában nem aminosav. Például sok enzim megfelelő működéséhez nátriumkötést igényel. A nátrium azonban nem feltétlenül működik szabályozó alegységként; nátrium mindig jelen van, és nem ismertek biológiai nátrium hozzáadása/eltávolítási folyamatok az enzimaktivitás szabályozására. A nem szabályozó allosztéria a nátriumon (kalcium, magnézium, cink) kívül bármilyen iont, valamint egyéb vegyi anyagokat és esetleg vitaminokat is tartalmazhat.
Az alloszterikus receptor moduláció az alloszterikus modulátoroknak az endogén ligandum helyétől ( aktív hely ) eltérő helyen (szabályozó helyen) történő kötődéséből ered, és fokozza vagy gátolja az endogén ligandum hatásait. Normál körülmények között úgy fejti ki hatását, hogy konformációs változást okoz a receptormolekulában, ami a ligandum kötési affinitásának megváltozását eredményezi. Így az alloszterikus ligandum modulálja a receptor aktiválását elsődleges ortoszterikus liganduma által, és amint feltételezhető, dimmer kapcsolóként működik az elektromos áramkörben, szabályozva a válasz intenzitását.
Például a GABA A receptornak két aktív helye van, amelyek megkötik a gamma-aminovajsav (GABA) neurotranszmittert, de vannak olyan kötőhelyei is, amelyek szabályozzák a benzodiazepint és az általános érzéstelenítőt. Ezen szabályozó helyek mindegyike pozitív alloszterikus modulációt eredményezhet, fokozva a GABA aktivitását. A diazepam pozitív alloszterikus modulátor a benzodiazepin szabályozó helyén, ellenszere, a flumazenil pedig antagonista .
Újabb példák azokra a gyógyszerekre, amelyek allosztérikusan módosítják a célpontjaikat, a cinakalcet, amely a kalciumot utánozza, és a maravirok , amelyet a HIV kezelésében használnak.
Az alloszterikus helyek új gyógyszercélpontot jelenthetnek. Számos előnnyel jár az alloszterikus modulátorok előnyben részesített terápiás szerként való alkalmazása a klasszikus ortoszterikus ligandumokkal szemben. Például a G-fehérje receptor (GPCR) alloszterikus kötőhelyei nem szembesültek azzal az evolúciós nyomással, mint az ortoszterikus helyek , hogy az endogén ligandumhoz illeszkedjenek, ezért változatosabbak [15] . Ezért nagyobb GPCR-szelektivitás érhető el az allosztérikus helyek megcélzásával. Ez különösen hasznos a GPCR-ek esetében, ahol a szelektív ortoszterikus terápia nehéz volt az ortoszterikus hely szekvenciájának megőrzése miatt minden receptor altípus esetében [16] . Ezen túlmenően ezeknek a modulátoroknak csökkent a toxikus hatásuk lehetősége, mivel a korlátozott kölcsönhatású modulátorok hatásuk maximális mértéke lesz, függetlenül a beadott dózistól. A farmakológiai szelektivitás egy másik típusa, amely az alloszterikus modulátorokra jellemző, a kooperativitáson alapul. Egy alloszterikus modulátor semleges együttműködést mutathat egy ortoszterikus ligandummal egy adott receptor minden altípusán, kivéve a kérdéses altípust, amelyet "abszolút altípus-szelektivitásnak" neveznek. Ha az alloszterikus modulátor nem érezhetően hatásos, egy másik erőteljes terápiás előnyt biztosíthat az ortoszterikus ligandummal szemben, nevezetesen az a képesség, hogy csak endogén agonista jelenlétében szelektíven hangolják fel vagy le a szöveti válaszokat. Az oligomerekre specifikus kismolekulájú kötőhelyek gyógyszercélpontok az orvosi szempontból fontos morfiumok számára [17] .
Számos olyan szintetikus vegyület létezik, amelyek több nem kovalens kötőhelyet tartalmaznak, amelyek konformációs változásokat mutatnak, ha egy helyet foglalnak el. Az ilyen szupramolekuláris rendszerekben az egyszeri kötődési hozzájárulások közötti kooperativitás pozitív, ha az egyik kötőhely elfoglalása növeli a ΔG affinitást a második helyen, és negatív, ha az affinitás nem növekszik. A legtöbb szintetikus alloszterikus komplex az egyik effektor ligandum kötődése során bekövetkező konformációs átrendeződésen alapul, ami azután a második ligandum és egy másik kötőhely fokozott vagy csökkent asszociációjához vezet [18] [19] [20] . A több kötőhely közötti konformációs kötődés a mesterséges rendszerekben általában sokkal nagyobb, mint a fehérjékben, amelyek rugalmassága általában nagyobb. A hatékonysági paraméter (amelyet a Krel = KA(E)/KA egyensúlyi állandók arányával mérünk az E effektor jelenlétében és távollétében) az a konformációs energia, amely a ligand A kötődés zárt vagy feszült konformációjának elfogadásához szükséges [21] .
Számos polivalens szupramolekuláris rendszerben [22] közvetlen kölcsönhatás léphet fel a kötött ligandumok között, ami nagy kölcsönhatáshoz vezethet. Az ionok közötti ilyen közvetlen kölcsönhatás leggyakrabban az ionpár receptorokban fordul elő [23] [24] . Ezt az együttműködést gyakran allosztériának is nevezik, bár a konformációs változások itt nem feltétlenül váltanak ki kötelező eseményeket.
Az allosztéria egy közvetlen és hatékony eszköz a biológiai makromolekulák működésének szabályozására, amelyek egy ligandumnak az ortoszterikus helytől topográfiailag eltérő alloszterikus helyhez való kötődéséből erednek. A gyakran magas receptorszelektivitás és az alacsonyabb célponthoz kapcsolódó toxicitás miatt az alloszterikus szabályozás várhatóan egyre nagyobb szerepet fog játszani a gyógyszerkutatásban és a biomérnöki tervezésben. Az AlloSteric Database (ASD, http://mdl.shsmu.edu.cn/ASD ) [25] központi erőforrást biztosít az alloszterikus molekulák szerkezetének, funkciójának és kapcsolódó megjegyzéseinek megjelenítéséhez, kereséséhez és elemzéséhez. Jelenleg az ASD több mint 100 típusú alloszterikus fehérjét és három modulátorkategóriát (aktivátorok, inhibitorok és szabályozók) tartalmaz. Mindegyik fehérje az allosztéria, a biológiai folyamatok és a kapcsolódó betegségek részletes leírásával van ellátva, minden modulátor pedig a kötési affinitással, a fizikai-kémiai tulajdonságokkal és a terápiás területtel van ellátva. Az alloszterikus fehérjékkel kapcsolatos információk RAS-ba történő integrálása lehetővé teszi az ismeretlen fehérjék alloszteriájának előrejelzését, majd ezt követően kísérleti ellenőrzést. Ezenkívül az ASD-n kurált modulátorok felhasználhatók egy adott vegyület lehetséges alloszterikus célpontjainak feltárására, és segíthetnek a vegyészeknek szerkezeti módosítások végrehajtásában új alloszterikus gyógyszerek kifejlesztéséhez.
Nem minden fehérjemaradék játszik egyformán fontos szerepet az alloszterikus szabályozásban. Az allosztériához szükséges maradékok (az úgynevezett "alloszterikus maradékok") azonosítása számos tanulmány középpontjában állt, különösen az elmúlt évtizedben [26] [27] [28] [29] [30] [31] [ 32] [33] . Ez a növekvő érdeklődés részben a fehérjetudományban betöltött általános jelentőségük eredménye, de az is, hogy az alloszterikus maradékok felhasználhatók az orvosbiológiai kontextusban. A nehezen megcélozható helyekkel rendelkező, farmakológiailag fontos fehérjék utat engedhetnek olyan megközelítéseknek, amelyekben alternatív módon a könnyebben hozzáférhető aminosavakat célozzák meg, amelyek képesek allosztérikusan szabályozni az elsődleges érdeklődési helyet [34] . Ezek a maradékok széles körben a felszíni és belső alloszterikus aminosavak közé sorolhatók. A felszínen található alloszterikus helyek általában alapvetően eltérő szabályozó szerepet töltenek be, mint a belsők; a felszíni maradékok receptorként vagy effektor helyként szolgálhatnak az alloszterikus jelátvitelben, míg a benne lévők az ilyen jelátvitelben [35] .
| Enzimek | |
|---|---|
| Tevékenység | |
| Szabályozás | |
| Osztályozás | |
| Típusok |
|