الإنزيمات الخيفية: الخصائص ، آليات العمل ، الأمثلة - مادة الاحياء - 2025

و إنزيم تفارغي (من اليونانية: ألو، ستريو + مختلف، الفضاء ثلاثي الأبعاد) هو بروتين التي تحدث فيها تفاعلات غير المباشرة بين مواقع مختلفة الطوبوغرافي، من خلال الربط من ركائز والجزيئات التنظيمية (بروابط).

يتأثر ارتباط يجند بموقع معين بربط يجند مستجيب آخر (أو يجند مُعدِّل) بموقع مختلف (خيفي) على الإنزيم. يُعرف هذا بالتفاعلات الخيفية أو التفاعلات التعاونية.

مثال على الانزيم. المصدر: توماس شافي

عندما يزيد رابط المستجيب من ألفة ارتباط ليجند آخر بالإنزيم ، يكون التعاون إيجابيًا. عندما ينخفض ​​التقارب ، يكون التعاون سالبًا. إذا شارك اثنان من الروابط المتماثلة في التفاعل التعاوني ، يكون التأثير متماثلًا ، وإذا كان الترابطان مختلفان ، يكون التأثير غير متجانسة.

ينتج عن التفاعل التعاوني تغييرات عكوسة في التركيب الجزيئي للإنزيم ، على مستوى الهيكل الثالث والرباعي. تُعرف هذه التغييرات باسم التغييرات التوافقية.

التاريخ

ظهر مفهوم التفاعل الخيفي منذ أكثر من 50 عامًا. لقد تطورت عبر الزمن وهي:

- في عام 1903 ، لوحظ المنحنى السيني لربط الهيموجلوبين بالأكسجين.

- في عام 1910 ، تم وصف المنحنى السيني للارتباط O ₂ بالهيموجلوبين رياضيًا باستخدام معادلة هيل.

-في عام 1954 ، أظهر نوفيك وزيلارد أن إنزيمًا موجودًا في بداية مسار التمثيل الغذائي تم تثبيطه بواسطة المنتج النهائي لهذا المسار ، والذي يُعرف بالردود السلبية.

-في عام 1956 ، اكتشف Umbarger أن L-threonine deaminase ، وهو أول إنزيم لمسار L-isoleucine التخليق الحيوي ، قد تم تثبيطه بواسطة L-isoleucine ، وأنه لم يُظهر حركيات Michaelis-Menten النموذجية مع منحنى قطعي ، بل كان له منحنى سيني.

- في عام 1963 ، اكتشف Perutz et al. ، من خلال تغييرات توافقية في الأشعة السينية في بنية الهيموغلوبين عندما يرتبط بالأكسجين. أعاد Monod و Jacob تسمية المواقع التنظيمية "allosteric sites."

- في عام 1965 ، اقترح Monod و Wyman و Changeux النموذج المتماثل ، أو نموذج MWC (الأحرف الأولية من Monod و Wyman و Changeux) لشرح التفاعلات التفاضلية.

- في عام 1966 ، اقترح Koshland و Nemethy و Filmer نموذج الاقتران المتسلسل أو المستحث ، أو نموذج KNF ، لشرح التفاعلات الخيفية.

- في عام 1988 ، أظهر هيكل الأشعة السينية لأسبارتات تران كارباميلاز النموذج المتماثل الذي افترضه Monod و Wyman و Changeux.

- في التسعينيات ، اعتبرت الطفرات والتعديلات التساهمية وتغيرات الأس الهيدروجيني مؤثرات خيفية.

- في عام 1996 ، أظهر هيكل الأشعة السينية لضاغط lac تحولات خيفية.

آليات العمل والأمثلة

- خصائص نماذج MWC و KNF للتنظيم الخيفي

نموذج MWC

اقترحت الفرضية الأصلية لنموذج MWC ما يلي (Monod، Wyman، Changeux، 1965)

البروتينات الخيفية هي أوليغومرات مكونة من بروتومرات متماثلة. تتكون البروتومرات من سلاسل متعددة الببتيد أو وحدات فرعية.

تحتوي الأوليغومرات على حالتي تشكل على الأقل (R و T). كلتا الحالتين (للهيكل الرباعي) تنشئان تلقائيًا توازنًا ، مع أو بدون رابطة مرتبطة.

عندما يحدث الانتقال من حالة إلى أخرى ، يتم الحفاظ على التناظر ، ويتم تغيير تقارب موقع (أو عدة) مواقع محددة الفراغ للرابط.

بهذه الطريقة ، ينبع الارتباط التعاوني للروابط من التفاعل التعاوني بين الوحدات الفرعية.

نموذج KNF

اقترحت فرضية نموذج KNF ما يلي (Koshland، Nemethy، Filmer، 1966): ينتج ربط Ligand تغييرًا في البنية الثلاثية في الوحدة الفرعية. يؤثر هذا التغيير في التشكل على الوحدات الفرعية المجاورة.

يعتمد تقارب الارتباط ليجند البروتين على عدد الروابط التي تربطها ببعضها البعض. وبالتالي ، فإن البروتينات الخيفية لها حالات توافقية متعددة تشمل حالات وسيطة.

خلال العقود الخمسة الماضية ، تم تقييم نماذج MWC و KNF من خلال الدراسات البيوكيميائية والهيكلية. تبين أن العديد من البروتينات الخيفية ، بما في ذلك الإنزيمات ، تتوافق مع ما هو مقترح في نموذج MWC ، على الرغم من وجود استثناءات.

نموذج MWC والإنزيمات الخيفية (أو الإنزيمات التنظيمية الخيفية)

غالبًا ما تكون الإنزيمات الخيفية أكبر وأكثر تعقيدًا من الإنزيمات غير الخيفية. يعتبر Aspartate transcarbamylase (Asp transcarbamylase أو ATCase) و phosphofructokinase-1 (PFK-1) أمثلة كلاسيكية على إنزيمات allosteric التي تتوافق مع نموذج MWC.

ال بيت

يحفز ATCase التفاعل الأول لمسار التخليق الحيوي للنيوكليوتيدات بيريميدين (CTP و UTP) ويستخدم Asp كركيزة. يتكون هيكل ATCase من وحدات فرعية تحفيزية وتنظيمية. تحتوي حالة ATCase على حالتين تشكيليتين R و T. ويتم الحفاظ على التناظر بين هاتين الحالتين.

تتميز حركية ATCase (المعدل الأولي لـ ATCase بتركيزات مختلفة من الأسبارتات) بمنحنى السيني. يشير هذا إلى أن ATCasa لديها سلوك تعاوني.

ATCase هي ردود الفعل التي تمنعها CTP. المنحنى السيني لـ ATCase ، في وجود CTP ، هو على يمين المنحنى السيني لـ ATCase في غياب CTP. تم إثبات زيادة قيمة ثابت Michaelis-Menten (K · _m).

أي في وجود CTP ، تتطلب ATCase تركيزًا أعلى من الأسبارتات للوصول إلى نصف المعدل الأقصى (V _max) ، مقارنةً بـ ATCase في غياب CTP.

في الختام ، CTP هو مؤثر خيفي سلبي غير متجانسة لأنه يقلل من ألفة ATCase للأسبارتات. يُعرف هذا السلوك بالتعاون السلبي.

PFK - 1

يحفز PFK-1 التفاعل الثالث لمسار تحلل السكر. يتكون هذا التفاعل من نقل مجموعة فوسفات من ATP إلى فركتوز 6 فوسفات. هيكل PFK-1 هو رباعي الأسطوانات ، والذي يعرض حالتين تشكيليتين R و T. ويتم الحفاظ على التناظر بين هاتين الحالتين.

تُظهر حركية PFK-1 (المعدل الأولي بتركيزات مختلفة من الفركتوز 6-فوسفات) منحنى السيني. يخضع PFK-1 للتنظيم الخيفي المعقد بواسطة ATP و AMP و frutose-2،6-bisphosphate ، وهي:

المنحنى السيني لـ PFK-1 ، في وجود تركيز عالٍ من ATP ، يقع على يمين المنحنى السيني بتركيز منخفض من ATP (الشكل 4). تم إثبات زيادة قيمة ثابت Michaelis-Menten (K · _m).

في ظل وجود تركيز عالٍ من ATP ، يتطلب PFK-1 تركيزًا أعلى من الفركتوز 6-فوسفات للوصول إلى نصف المعدل الأقصى (V _{كحد أقصى}).

في الختام ، ATP ، بالإضافة إلى كونه ركيزة ، هو مؤثر خيفي غير متجانس سلبي لأنه يقلل من ألفة PFK-1 للفركتوز 6-فوسفات.

يقع المنحنى السيني لـ PFK-1 ، في وجود AMP ، على يسار المنحنى السيني لـ PFK-1 في وجود ATP. أي أن AMP يزيل التأثير المثبط لـ ATP.

في وجود AMP ، يتطلب PFK-1 تركيزًا أقل من الفركتوز 6 فوسفات للوصول إلى نصف المعدل الأقصى (V _max). يتجلى ذلك في حقيقة أن هناك انخفاض في قيمة ثابت Michaelis-Menten (K · _m).

في الختام ، يعد AMP مؤثرًا خيفيًا غير متجانس إيجابيًا لأنه يزيد من ألفة ربط PFK-1 للفركتوز 6 فوسفات. Frutose-2،6-bisphosphate (F2،6BP) هو منشط خيفي قوي لـ PFK-1 (الشكل 5) ، وسلوكه مشابه لسلوك AMP.

نموذج MWC شائع ، لكنه ليس عالميًا

من إجمالي هياكل البروتين المودعة في PDB (بنك بيانات البروتين) ، نصفها عبارة عن أوليغومرات والنصف الآخر من المونومرات. لقد ثبت أن التعاون لا يتطلب روابط متعددة ، أو تجميع وحدات فرعية متعددة. هذا هو الحال بالنسبة للجلوكوكيناز والإنزيمات الأخرى.

إن الجلوكوكيناز أحادي ، وله سلسلة متعددة الببتيد ، ويعرض حركيات السيني استجابة لزيادة تركيز الجلوكوز في الدم (بورتر وميلر ، 2012 ؛ كاماتا وآخرون ، 2004).

هناك نماذج مختلفة تشرح الحركية التعاونية في الإنزيمات الأحادية ، وهي: نموذج الذاكرة ، ونموذج الانتقال البطيء الناجم عن الترابط ، والإضافة العشوائية للركائز في التفاعلات الجزيئية الحيوية ، وأنواع التغييرات التوافقية البطيئة ، وغيرها.

دعمت الدراسات التي أجريت على بنية الجلوكوكيناز نموذج ذاكري

يحتوي الجلوكوكيناز البشري الطبيعي على K _m 8 ملي للجلوكوز. هذه القيمة قريبة من تركيز جلوكوز الدم.

هناك مرضى يعانون من فرط أنسولين الدم المقاوم للـ pes في مرحلة الطفولة (PHHI). يحتوي الجلوكوكيناز لدى هؤلاء المرضى على K _m للجلوكوز أقل من الجلوكوكينازات العادية ، ويتم تقليل التعاون بشكل كبير.

وبالتالي ، يمتلك هؤلاء المرضى نوعًا من الجلوكوكيناز مفرط النشاط ، والذي يمكن أن يكون قاتلاً في الحالات الشديدة.

تطبيقات allosterism

يرتبط اللوستري والحفز ارتباطًا وثيقًا. وبسبب هذا ، يمكن أن تؤثر التأثيرات الخيفية على خصائص التحفيز مثل الارتباط بالرابط ، وإطلاق الترابط.

قد تكون مواقع الربط الخيفي أهدافًا للأدوية الجديدة. هذا لأن المستجيب الخيفي يمكن أن يؤثر على وظيفة الإنزيم. يعد تحديد المواقع الخيفية الخطوة الأولى في اكتشاف الأدوية التي تعزز وظيفة الإنزيم.

المراجع

1. Changeux، JP 2012. Allostery و Monod-Wyman-Changeux model بعد 50 عامًا. المراجعة السنوية للفيزياء الحيوية والهيكل الجزيئي الحيوي ، 41: 103 - 133.
2. Changeux، JP 2013. 50 عامًا من التفاعلات الخيفية: التقلبات والمنعطفات في النماذج. بيولوجيا الخلية الجزيئية ، في مراجعات الطبيعة ، 14: 1-11.
3. Goodey، NM and Benkovic، SJ 2008. يظهر التنظيم الخيفي والحفز عبر طريق مشترك. بيولوجيا الطبيعة الكيميائية ، 4: 274-482.
4. كاماتا ، ك ، ميتسويا ، إم ، نيشيمورا ، ت. ، إيكي ، جون إيتشي ، ناجاتا ، واي. 2004. الأساس الهيكلي للتنظيم الخيفي للأنزيم الخيفي الأحادي للجلوكوكيناز البشري. الهيكل ، 12: 429-438.
5. Koshland، DE Jr.، Nemethy، G.، Filmer، D. 1966. مقارنة بيانات الربط التجريبية والنماذج النظرية في البروتينات التي تحتوي على وحدات فرعية. الكيمياء الحيوية ، 5: 365-385.
6. Monod، J.، Wyman، J.، Changeux، JP 1965. حول طبيعة التحولات الخيفية: نموذج معقول. مجلة البيولوجيا الجزيئية ، 12: 88-118.
7. Nelson، DL and Cox، MM، 2008. Lehninger - مبادئ الكيمياء الحيوية. دبليو إتش فريمان وشركاه ، نيويورك.
8. Porter، CM and Miller، BG 2012. التعاون في الإنزيمات الأحادية مع مواقع ربط ليجند واحدة. الكيمياء الحيوية العضوية ، 43: 44-50.
9. Voet، D. and Voet، J. 2004. الكيمياء الحيوية. جون وايلي وأولاده ، الولايات المتحدة الأمريكية.