Sebuah enzim alosterik (dari bahasa Yunani: allo, + stereo yang berbeda, ruang tiga dimensi) adalah protein di mana interaksi langsung terjadi antara situs topografi yang berbeda, oleh pengikatan substrat dan molekul peraturan (ligan).
Pengikatan ligan ke situs tertentu dipengaruhi oleh pengikatan ligan efektor lain (atau ligan modulator) ke situs (alosterik) yang berbeda pada enzim. Ini dikenal sebagai interaksi alosterik, atau interaksi kooperatif.
Contoh enzim. Sumber: Thomas Shafee [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]
Ketika ligan efektor meningkatkan afinitas pengikatan ligan lain ke enzim, kooperatifitasnya positif. Ketika afinitas menurun, kooperatifitas negatif. Jika dua ligan identik berpartisipasi dalam interaksi kooperatif, efeknya adalah homotropik, dan jika kedua ligan berbeda, efeknya heterotropik.
Interaksi kooperatif menghasilkan perubahan reversibel dalam struktur molekul enzim, pada tingkat struktur tersier dan kuaterner. Perubahan ini dikenal sebagai perubahan konformasi.
Indeks artikel
Sejarah
Konsep interaksi alosterik muncul lebih dari 50 tahun yang lalu. berkembang dari waktu ke waktu, yaitu:
-Pada tahun 1903, kurva sigmoidal dari pengikatan hemoglobin ke oksigen diamati.
-Dalam 1910, kurva sigmoidal dari O 2 yang mengikat untuk hemoglobin matematis digambarkan dengan menggunakan persamaan Hill.
-Pada tahun 1954, Novick dan Szilard menunjukkan bahwa enzim yang terletak di awal jalur metabolisme dihambat oleh produk akhir dari jalur ini, yang dikenal sebagai umpan balik negatif.
-Pada tahun 1956, Umbarger menemukan bahwa L-treonin deaminase, enzim pertama dari jalur biosintesis L-isoleusin, dihambat oleh L-isoleusin, dan tidak menunjukkan kinetika Michaelis-Menten yang khas dengan kurva hiperbolik, melainkan memiliki kurva sigmoidal.
-Pada tahun 1963, Perutz et al., Ditemukan melalui sinar-X perubahan konformasi struktur hemoglobin ketika mengikat oksigen. Monod dan Jacob mengganti nama situs regulasi menjadi “situs alosterik”.
-Pada tahun 1965, Monod, Wyman dan Changeux mengusulkan caral simetris, atau caral MWC (huruf awal dari Monod, Wyman dan Changeux) untuk menjelaskan interaksi alosterik.
-Pada tahun 1966, Koshland, Nemethy dan Filmer mengusulkan caral kopling sekuensial atau induksi, atau caral KNF, untuk menjelaskan interaksi alosterik.
-Pada tahun 1988, struktur sinar-X aspartat transcarbamylase menunjukkan caral simetris yang didalilkan oleh Monod, Wyman dan Changeux.
-Pada 1990-an, mutasi, modifikasi kovalen dan perubahan pH dianggap sebagai efektor alosterik.
-Pada tahun 1996, struktur sinar-X dari represor lac menunjukkan transisi alosterik.
Mekanisme aksi dan contohnya
-Karakteristik caral regulasi alosterik MWC dan KNF
caral MWC
Hipotesis asli dari caral MWC mengusulkan sebagai berikut (Monod, Wyman, Changeux, 1965)
Protein alosterik adalah oligomer yang terdiri dari protomer yang terkait secara simetris. Protomer terdiri dari rantai polipeptida atau subunit.
Oligomer memiliki setidaknya dua keadaan konformasi (R dan T). Kedua keadaan (dari struktur kuaterner) secara spontan membentuk kesetimbangan, dengan atau tanpa ligan terikat.
Ketika transisi dari satu keadaan ke keadaan lain terjadi, simetri dipertahankan, dan afinitas situs (atau beberapa) situs stereospesifik terhadap ligan diubah.
Dengan cara ini, ikatan kooperatif ligan mengikuti interaksi kooperatif antara subunit.
caral KNF
Hipotesis caral KNF mengusulkan hal berikut (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Pengikatan ligan menghasilkan perubahan struktur tersier dalam subunit. Perubahan konformasi ini mempengaruhi subunit tetangga.
Afinitas pengikatan ligan protein tergantung pada jumlah ligan yang diikatnya. Dengan demikian, protein alosterik memiliki beberapa keadaan konformasi yang mencakup keadaan antara.
Selama lima dekade terakhir, caral MWC dan KNF telah dievaluasi melalui studi biokimia dan struktural. Ditunjukkan bahwa banyak protein alosterik, termasuk enzim, sesuai dengan apa yang diusulkan dalam caral MWC, meskipun ada pengecualian.
Model MWC dan enzim alosterik (atau enzim pengatur alosterik)
Enzim alosterik seringkali lebih besar dan lebih kompleks daripada enzim non-alosterik. aspartat transcarbamylase (ATCase transcarbamylase atau Asp) dan fosfofruktokinase 1 (PFK-1) adalah contoh enzim alosterik klasik yang memenuhi caral MWC.
E.coli ATCase
ATCase mengkatalisis reaksi pertama dari jalur biosintesis nukleotida pirimidin (CTP dan UTP) dan menggunakan Asp sebagai substrat. Struktur ATCase terdiri dari subunit katalitik dan regulasi. ATCase memiliki dua keadaan konformasi R dan T. Simetri antara kedua keadaan ini dipertahankan.
Kinetika ATCase (laju awal ATCase dengan konsentrasi aspartat yang berbeda) dicirikan oleh kurva sigmoid. Hal ini menunjukkan bahwa ATCasa memiliki perilaku kooperatif.
ATCase adalah umpan balik yang dihambat oleh CTP. Kurva sigmoid ATCase, dengan adanya CTP, berada di sebelah kanan kurva sigmoid ATCase tanpa adanya CTP. Peningkatan nilai konstanta Michaelis-Menten ( K m ) dibuktikan .
Artinya, dengan adanya CTP, ATCase membutuhkan konsentrasi aspartat yang lebih tinggi untuk mencapai setengah tingkat maksimum ( V max ), dibandingkan dengan ATCase tanpa adanya CTP.
Kesimpulannya, CTP adalah efektor alosterik negatif heterotropik karena menurunkan afinitas ATCase untuk aspartat. Perilaku ini dikenal sebagai kooperatifitas negatif.
PFK – 1
PFK-1 mengkatalisis reaksi ketiga dalam jalur glikolisis. Reaksi ini terdiri dari transfer gugus fosfat dari ATP ke fruktosa 6-fosfat. Struktur PFK-1 adalah tetramer, yang menunjukkan dua keadaan konformasi R dan T. Simetri antara kedua keadaan ini dipertahankan.
Kinetika PFK-1 (laju awal dengan konsentrasi fruktosa 6-fosfat yang berbeda) menunjukkan kurva sigmoid. PFK-1 tunduk pada regulasi alosterik kompleks oleh ATP, AMP dan frutose-2,6-bifosfat, yaitu:
Kurva sigmoid PFK-1, dengan adanya konsentrasi ATP yang tinggi, berada di sebelah kanan kurva sigmoid pada konsentrasi ATP yang rendah (Gambar 4). Peningkatan nilai konstanta Michaelis-Menten ( K m ) dibuktikan .
Dengan adanya konsentrasi ATP yang tinggi, PFK-1 membutuhkan konsentrasi fruktosa 6-fosfat yang lebih tinggi untuk mencapai setengah tingkat maksimum ( V max ).
Kesimpulannya, ATP, selain sebagai substrat, adalah efektor alosterik heterotropik negatif karena menurunkan afinitas PFK-1 untuk fruktosa 6-fosfat.
Kurva sigmoid PFK-1, dengan adanya AMP, terletak di sebelah kiri kurva sigmoid PFK-1 dengan adanya ATP. Artinya, AMP menghilangkan efek penghambatan ATP.
Dengan adanya AMP, PFK-1 membutuhkan konsentrasi fruktosa 6-fosfat yang lebih rendah untuk mencapai setengah tingkat maksimum ( V max ). Hal ini diwujudkan dengan adanya penurunan nilai konstanta Michaelis-Menten ( K m ).
Kesimpulannya, AMP adalah efektor alosterik heterotropik positif karena meningkatkan afinitas pengikatan PFK-1 untuk fruktosa 6-fosfat. Frutose-2,6-bisphosphate (F2,6BP) adalah aktivator alosterik kuat dari PFK-1 (Gambar 5), dan perilakunya mirip dengan AMP.
Model MWC adalah umum, tetapi tidak universal
Dari total struktur protein yang disimpan dalam PDB (Protein data bank), setengahnya adalah oligomer dan setengahnya lagi adalah monomer. Telah ditunjukkan bahwa kooperatifitas tidak memerlukan banyak ligan, atau perakitan beberapa subunit. Ini adalah kasus untuk glukokinase dan enzim lainnya.
Glukokinase bersifat monomer, memiliki rantai polipeptida, dan menunjukkan kinetika sigmoidal sebagai respons terhadap peningkatan konsentrasi glukosa darah (Porter dan Miller, 2012; Kamata et al., 2004).
Ada berbagai caral yang menjelaskan kinetika kooperatif dalam enzim monomer, yaitu: caral mnemonik, caral transisi lambat yang diinduksi ligan, penambahan substrat secara acak dalam reaksi biomolekuler, jenis perubahan konformasi lambat, antara lain.
Studi struktur glukokinase telah mendukung caral mnemonik
Glukokinase manusia normal memiliki K m dari 8 mM glukosa. Nilai ini mendekati konsentrasi glukosa darah.
Ada pasien yang menderita pes-resistant hyperinsulinemia of infant (PHHI). glukokinase pasien ini memiliki lebih rendah K m glukosa dari glucokinases normal, dan kooperatititas berkurang secara signifikan.
Akibatnya, pasien ini memiliki varian glukokinase yang hiperaktif, yang pada kasus yang parah bisa berakibat fatal.
Kegunaan dari allosterisme
Allostry dan katalisis terkait erat. Karena itu, efek alosterik dapat mempengaruhi karakteristik katalisis seperti pengikatan ligan, pelepasan ligan.
Situs pengikatan alosterik mungkin menjadi target obat baru. Hal ini karena efektor alosterik dapat mempengaruhi fungsi enzim. Mengidentifikasi situs alosterik adalah langkah pertama dalam penemuan obat yang meningkatkan fungsi enzim.
Referensi
- Changeux, JP 2012. Allostery dan caral Monod-Wyman-Changeux Setelah 50 tahun. Tinjauan Tahunan Biofisika dan Struktur Biomolekuler, 41: 103–133.
- Changeux, JP 2013. 50 tahun interaksi alosterik: liku-liku caral. Biologi Sel Molekuler, di Ulasan Alam, 14: 1-11.
- Goodey, NM dan Benkovic, SJ 2008. Regulasi alosterik dan katalisis muncul melalui rute yang sama. Biologi Kimia Alam, 4: 274-482.
- Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Dasar struktural untuk regulasi alosterik enzim alosterik monomer glukokinase manusia. Struktur, 12: 429–438.
- Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Perbandingan data pengikatan eksperimental dan caral teoritis dalam protein yang mengandung subunit. Biokimia, 5: 365-385.
- Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Tentang sifat transisi alosterik: caral yang masuk akal. Jurnal Biologi Molekuler, 12: 88–118.
- Nelson, DL dan Cox, MM, 2008. Lehninger – Prinsip Biokimia. WH Freeman and Company, New York.
- Porter, CM dan Miller, BG 2012. Kerjasama dalam enzim monomer dengan situs pengikatan ligan tunggal. Kimia Bioorganik, 43: 44-50.
- Voet, D. dan Voet, J. 2004. Biokimia. John Wiley and Sons, AS.
