Алостерични ензими

Алостерични ензими

Алостеричните ензими са ензими, които променят своята форма или конформация, вместо да се свържат с модулатор. Думата алостеричен идва от гръцки – allos-друг и stereos-форма. Алостеричният ензим е олигомер, чиято биологична активност се изразява в промяна на конформацията на четвъртичната му структура. Алостеричните ензими имат няколко субединици. В някои случаи регулаторната част и активната част са на различни субединици. Алостеричните ензими са регулаторни ензими. Алостеричният ефектор променя отнасянето на алостеричните ензими – той може да е алостеричен активатор или алостеричен инхибитор, нарича се още хетеотропен ефектор. Ефекторът няма структурна прилика със субстрата на повлиявания ензим. Ефекторите могат да бъдат както прости неорганични молекули, така и комплекс от нуклеотиди като цикличния аденозимонофосфат (цАМФ).

   В много случаи субстратът индуцира отдалечени алостерични ефектори, когато се свързва с каталитичния център. Субстратите, действащи като 
ефектори, се наричат хомотропни ефектори. Когато субстратът е и ефектор, той може да се свързва както със активния, така и с алостеричния център. 
Когато субстраът се свързва към активния център, той придава ефект на активно модулиране на другите субединици от молекулата. Често използван пример за хомотропен ефектор е хемоглобинът, макар че той не е ензим и не 
 отговаря на общата дефиниция.

Съществуват два начина, по които ензимната молекула може да бъде повлияна от ефектори: Vmax, както и Km могат да бъдат намалени или увеличени. Ензими, чиято Km е повлияна от ефектор, се наричат К-ензими, а съответните ефектори – К-ефектори. Подобно, ензими и ефектори, повлияни от V, се наричат V-тип. Много алостерични ензими отговарят на голям брой ефектори с V- и К-отнасяния. Тук отново хемоглобинът се използва като пример за алостерично взаимодействие, макар че не е ензим.

До сега описаното важи за случаите, когато алостеричният и каталитичният център са хомогенно разположени на всяка субединица. Съществува друг клас ензими, чиито алостеричен и каталитичен център са разположени на различни субединици. Предшественика на този клас ензими е АМФ-зависещ белтък киназа (ПКА), чиито механисъм на активиране е илюстриран на фигурата по – долу. Ензимът е тетрамер, съдържа 2 каталитични субединици и 2 регулаторни, и не е ензимно активен. Когато вътреклетъчното ниво на цАМФ се покачи, една молекула цАМП се свързва към всяка регулаторна субединица и тетрамерът дисоциира в регулаторен димер и 2 каталитични мономера. В дисоциирана форма каталитичните субединици са напълно активни. Те катализират фосфорилирането на ред други ензими, като например този, включващ се в регулацията глюкогеновия метаболизъм. Регулаторните субединици нямат каталитична активност.

Химична молекула може да инхибира ензим по 2 начина – чрез свързване с алостеричния център на ензима или чрез конкурентно инхибиране. Алостеричният център е мястото върху ензима, където може да се прикрепи молекула-регулатор. Молекулата-регулатор може да бъде крайният продукт на метаболитния път. Тази молекула се нарича алостеричен регулатор и тя не може директно да блокира активния център. Това е неконкурентно инхибиране (инхибитора не се състезава със субстрата, за да се свърже с активния център).

Алостеричните регулатори са специфични към ензимите, които регулират. Когато алостеричният регулатор се прикрепи към ензима, активният център на ензима променя своята форма. Това различие във формата не позволява на субстратната молекула да се свърже с активния център на ензима и той не може да продължи да катализира реакцията, което от своя страна прекратява получаването на необходимия краен продукт от реакцията. От биологична гледна точка най-важното неконкурентно инхибиране е алостеричното инхибиране. Всъщност по-общото понятие е повлияване. То включва инхибиране и активиране. Ефекторите биват отрицателни (инхибитори) и положителни (активатори). При него крайният продукт в метаболитната верига или друго съединение повлиява първия специфичен за веригата ензим, или скорост-определящия ензим, или и двата заедно, ако не съвпадат. Алостеричният ефектор се залавя не за активния център, а за друг алостеричен център и предизвиква конформационна промяна, която повлиява и активния център - активността на ензима се инхибира или увеличава. При потискане на начален ензим от крайните продукти в дадена верига се използва и израза ретроинхибиране или потискане чрез обратна отрицателна връзка. В ензимната молекула има един активен център, но няколко алостерични центрове, чрез които ензимът приема сигнали за разнообразни регулаторни въздействия. За алостеричните ензими не е валидно уравнението на Michaelis-Menten. Вместо правоъгълна хипербола, зависимостта на V от [S] е сигмоидна крива. Алостеричното повлияване е застъпено при важни синтезни вериги - напр. синтеза на пуринови и пиримидинови нуклеотиди. Получаващите се като крайни продукти пуринови нуклеотиди (АМФ и ГМФ) действат като алостерични инхибитори на първите два ензима в собствената си синтеза по пътя de novo. Тези ензими ФРФФ синтетаза и глутамин-ФРФФ амидотрансфераза са регулаторни и скорост-определящи. ИМФ, предшественик на АМФ и ГМФ, също действа като алостеричен инхибитор на тези ензими. ФРФФ е не само субстрат, но и алостеричен активатор на втория ензим. Фиг.: . Пример за алостерични повлиявания в синтезата на пуринови нуклеотиди. С отрицателен знак е представено алостеричното инхибиране на двата регулаторни ензими от крайните продукти ИМФ, АМФ и ГМФ, а с положителен знак е представено алостеричното активиране на амидотрансферазата от ФРФФ.

Примери за приложение на познанията върху алостерично повлияване в клиничната практика Дефект в алостеричното повлияване на ФРФФ амидотрансфераза от крайните продукти - причинява подагра Познанията върху алостерично повлияване позволяват да бъде обяснен и друг механизъм за възникване на подагра, освен разгледаните случаи в (мутации в ензима, водещи до повишена Vmax или намалена Km). Подагра може да възникне и поради мутация, засягаща алостеричен център за потискане на главния регулаторен ензим ФРФФ амидотрансфераза от крайните продукти (пуриновите нуклеотиди). Дефектният алостеричен център не "усеща", че има достатъчно пуринови нуклеотиди и ензимът не се инхибира. Увеличеното количество на пуринови нуклеотиди е причина за получаване на повече пикочна киселина, както бе вече показано.

Лечение на оротатурия чрез алостерични инхибитори Познанията върху алостерично повлияване позволяват провеждане на лечение при оротатурия. Това е наследствено заболяване, свързано с нарушения в синтезата на пиримидинови нуклеотиди. Има недостатъчност на два ензима в биосинтезната верига на пиримидинови нуклеотиди: оротат фосфорибозил трансфераза (Е5) и оротидин-5'-фосфат декарбоксилаза (Е6), което води до натрупване на междинния метаболит оротат в кръвта, а оттам той минава и в урината. Липсват крайните продукти пиримидинови нуклеотиди, а те са необходими за синтеза на НК, за клетъчното делене, особено за еритропоезата. Пациентите са бледи и отпаднали. Фиг.: Лечение при оротатемия чрез пиримидинови нуклеотиди, които като крайни продукти алостерично инхибират ендогенната синтеза.

На фигурата е показано мястото на действие на пиримидиновите нуклеотиди като алостерични инхибитори върху началните регулаторни ензими в тяхната синтеза. УТФ и ЦТФ инхибират двата начални ензима, а ТДФ снема активиращия ефект на ФРФФ. Приемането на липсващите нуклеотиди (а дори и нуклеозиди) подобрява състоянието. Изчезва оротат в урината. Това става, тъй като добавените нуклеотиди потискат чрез обратна връзка началните ключови ензими карбамилфосфат синтетаза и аспартат транскарбамилаза. Съшествува тест за определяне на анти- HIV антитела, основан на алостеричния отговор на имобилизирана Escherichia coli β-галактозидаза в агарозна матрица.