アロステリック酵素：特性、作用メカニズム、例 - 生物学 - 2024

アロステリック酵素（ギリシャ語から：アロ、異なる+ステレオ、三次元空間）が間接的相互作用が基板と調節分子（リガンド）の結合によって、地形的に異なるサイト間で発生するタンパク質です。

リガンドの特定の部位への結合は、酵素の異なる（アロステリック）部位への別のエフェクターリガンド（またはモジュレーターリガンド）の結合によって影響を受けます。これはアロステリック相互作用または協調的相互作用として知られています。

酵素の例。出典：Thomas Shafee

エフェクターリガンドが別のリガンドの酵素への結合親和性を増加させると、協調性は正になります。親和性が低下すると、協調性は負になります。2つの同一のリガンドが協調的相互作用に参加する場合、効果はホモトロピックであり、2つのリガンドが異なる場合、効果は異方的です。

協調的相互作用は、酵素の分子構造に、三次および四次構造レベルで可逆的な変化をもたらします。これらの変化は、構造変化として知られています。

歴史

アロステリック相互作用の概念は、50年以上前に登場しました。それは時間をかけて進化しました、すなわち：

-1903年、ヘモグロビンと酸素の結合のS字曲線が観察された。

-1910年、ヘモグロビンへのO ₂結合のシグモイド曲線は、ヒルの方程式を使用して数学的に記述されました。

-1954年に、NovickとSzilardは、代謝経路の最初にある酵素が、この経路の最終産物によって阻害されることを示しました。これは、負のフィードバックとして知られています。

-1956年、アンバーガーは、L-イソロイシン生合成経路の最初の酵素であるL-スレオニンデアミナーゼがL-イソロイシンによって阻害され、典型的なミカエリス-メンテン速度論が双曲線を示さないことを発見しました。むしろ、S字型の曲線がありました。

-1963年に、Perutzら、酸素に結合したときのヘモグロビンの構造のX線構造変化を発見。MonodとJacobは、規制サイトを「アロステリックサイト」に改名しました。

-1965年、Monod、Wyman、およびChangeuxは、アロステリック相互作用を説明する対称モデル、またはMWCモデル（Monod、Wyman、およびChangeuxの頭文字）を提案しました。

-1966年に、コシュランド、ネメシー、フィルマーは、アロステリック相互作用を説明するために、逐次または誘導結合モデル、またはKNFモデルを提案しました。

-1988年、アスパラギン酸トランスカルバミラーゼのX線構造は、Monod、Wyman、およびChangeuxによって仮定された対称モデルを示しました。

-1990年代には、突然変異、共有結合修飾、pH変化がアロステリックエフェクターと見なされていました。

-1996年、lacリプレッサーのX線構造はアロステリック転移を示した。

アクションのメカニズムと例

-アロステリック制御のMWCモデルとKNFモデルの特性

MWCモデル

MWCモデルの元の仮説は次のことを提案しました（Monod、Wyman、Changeux、1965）

アロステリックタンパク質は、対称的に関連するプロトマーで構成されるオリゴマーです。プロトマーは、ポリペプチド鎖またはサブユニットで構成されています。

オリゴマーは少なくとも2つの配座状態（RおよびT）を持っています。（四次構造の）両方の状態は、リガンドが結合しているかどうかに関係なく、自発的に平衡を確立します。

ある状態から別の状態への遷移が発生すると、対称性が保持され、リガンドに対するサイト（またはいくつか）の立体特異的サイトの親和性が変更されます。

このようにして、リガンドの協同的結合は、サブユニット間の協同的相互作用から生じる。

KNFモデル

KNFモデルの仮説では、次のことが提案されました（Koshland、Nemethy、Filmer、1966）。このコンフォメーションの変化は、隣接するサブユニットに影響を与えます。

タンパク質リガンドの結合親和性は、それが一緒に保持するリガンドの数に依存します。したがって、アロステリックタンパク質は、中間状態を含む複数のコンフォメーション状態を持っています。

過去50年間、MWCおよびKNFモデルは生化学的および構造的研究を通じて評価されてきました。例外はありますが、酵素を含む多くのアロステリックタンパク質がMWCモデルで提案されているものに準拠していることが示されました。

MWCモデルとアロステリック酵素（またはアロステリック調節酵素）

アロステリック酵素は多くの場合、非アロステリック酵素よりも大きく、複雑です。アスパラギン酸トランスカルバミラーゼ（AspトランスカルバミラーゼまたはATCase）およびホスホフルクトキナーゼ-1（PFK-1）は、MWCモデルに準拠するアロステリック酵素の古典的な例です。

ATハウスオブ

ATCaseは、ピリミジンヌクレオチド生合成経路（CTPおよびUTP）の最初の反応を触媒し、基質としてAspを使用します。ATCaseの構造は、触媒サブユニットと制御サブユニットで構成されています。ATCaseには2つのコンフォメーション状態RおよびTがあります。これら2つの状態間の対称性は保存されています。

ATCaseの反応速度（アスパラギン酸の濃度が異なるATCaseの初期速度）は、シグモイド曲線で特徴付けられます。これは、ATCasaが協調的な振る舞いをしていることを示しています。

ATCaseはCTPによってフィードバックが抑制されます。CTPが存在する場合のATCaseのシグモイド曲線は、CTPが存在しない場合のATCaseのシグモイド曲線の右側です。ミカエリス-メンテン定数（K _m）の値の増加が証明されています。

つまり、CTPが存在する場合、ATCaseは、CTPが存在しない場合のATCaseと比較して、最大レート（V _max）の半分に到達するために、アスパラギン酸のより高い濃度を必要とします。

結論として、CTPはアスパラギン酸に対するATCaseの親和性を低下させるため、異方向性の負のアロステリックエフェクターです。この動作は負の協調性として知られています。

PFK – 1

PFK-1は解糖経路の3番目の反応を触媒します。この反応は、ATPからフルクトース6-リン酸へのリン酸基の移動で構成されます。PFK-1の構造は四量体で、2つの配座状態RおよびTを示します。これら2つの状態間の対称性は保存されています。

PFK-1の反応速度（フルクトース6-リン酸の濃度が異なる初期速度）は、S字曲線を示します。PFK-1は、ATP、AMP、フルトース-2,6-二リン酸による複雑なアロステリック調節の対象です。

ATP濃度が高い場合のPFK-1のシグモイド曲線は、ATP濃度が低い場合のシグモイド曲線の右側になります（図4）。ミカエリス-メンテン定数（K _m）の値の増加が証明されています。

高濃度のATPが存在する場合、PFK-1は最大速度の半分（V _max）に到達するために、高濃度のフルクトース6-リン酸を必要とします。

結論として、ATPは基質であることに加えて、フルクトース6-リン酸に対するPFK-1の親和性を低下させるため、負のヘテロトロピックアロステリックエフェクターです。

AMPの存在下でのPFK-1のシグモイド曲線は、ATPの存在下でのPFK-1のシグモイド曲線の左側にあります。つまり、AMPはATPの阻害効果を排除します。

AMPが存在する場合、PFK-1は、最大速度の半分（V _max）に到達するために、より低濃度のフルクトース6-リン酸を必要とします。これは、ミカエリスメンテン定数（K _m）の値が減少しているという事実に現れています。

結論として、AMPは、フルクトース6-リン酸に対するPFK-1の結合親和性を高めるため、正のヘテロトロピックアロステリックエフェクターです。フルトース-2,6-ビスリン酸（F2,6BP）は、PFK-1の強力なアロステリック活性化因子であり（図5）、その動作はAMPの動作と似ています。

MWCモデルは一般的ですが、普遍的ではありません

PDB（Protein data bank）に登録されている全タンパク質構造の半分はオリゴマーで、残りの半分はモノマーです。協調性は複数のリガンド、または複数のサブユニットの集合を必要としないことが示されている。これは、グルコキナーゼや他の酵素の場合です。

グルコキナーゼは単量体であり、ポリペプチド鎖を持ち、血中グルコース濃度の上昇に反応してS字型の速度を示します（Porter and Miller、2012; Kamata et al。、2004）。

単量体酵素の協同動態を説明するさまざまなモデルがあります。つまり、ニーモニックモデル、リガンド誘発性の遅い遷移モデル、生体分子反応における基質のランダムな追加、遅い構造変化の種類などです。

グルコキナーゼの構造の研究はニーモニックモデルをサポートしています

正常なヒトのグルコキナーゼは、グルコースに対して8 mMのK _mを持っています。この値は血中グルコース濃度に近いです。

小児期のペス耐性高インスリン血症（PHHI）に苦しむ患者がいます。これらの患者のグルコキナーゼは、通常のグルコキナーゼよりもグルコースのK _mが低く、協調性が大幅に低下しています。

その結果、これらの患者は活動亢進型のグルコキナーゼ変異体を保有しており、重症の場合には致命的となる可能性があります。

アロステリズムの応用

アロストリーと触媒作用は密接に関連しています。このため、アロステリック効果は、リガンド結合、リガンド放出などの触媒特性に影響を与える可能性があります。

アロステリック結合部位は新薬の標的となる可能性があります。これは、アロステリックエフェクターが酵素の機能に影響を与える可能性があるためです。アロステリック部位の同定は、酵素機能を増強する薬剤の発見における最初のステップです。

参考文献

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