В биохимии аллостерическая регуляция (или аллостерический контроль) — это регуляция фермента путём связывания эффекторной молекулы в сайте, отличном от активного сайта фермента.

Сайт, с которым связывается эффектор, называется аллостерическим сайтом или регуляторным сайтом. Аллостерические сайты позволяют эффекторам связываться с белком, что часто приводит к конформационным изменениям, связанным с динамикой белка. Эффекторы, которые усиливают активность белка, называются аллостерическими активаторами, тогда как те, которые снижают активность белка, называются аллостерическими ингибиторами.

Аллостерические регуляции — естественный пример контуров управления, таких как обратная связь от последующих продуктов или прямая связь от исходных субстратов. Аллостерия дальнего действия особенно важна для передачи сигналов клетками. Аллостерическая регуляция также особенно важна для способности клетки регулировать активность ферментов.

Термин аллостерия происходит от древнегреческого allos (ἄλλος), «прочее» и stereos (στερεὀς), «твердое тело (объект)». Это относится к тому факту, что регуляторный сайт аллостерического белка физически отличается от его активного сайта.

Модели

Многие аллостерические эффекты могут быть объяснены согласованной моделью MWC выдвинутых Моно, Вайманом и Шанжё, или путём последовательной модели (также известной как модель KNF), описанной Кошланд, Неметите и Филмер. Обе модели постулируют, что белковые субъединицы существуют в одной из двух конформаций, напряженной (T-tensed) или расслабленной (R-relaxed), и что расслабленные субъединицы связываются с субстратом легче, чем субъединицы в напряженном состоянии. Эти две модели больше всего различаются своими предположениями о взаимодействии субъединиц и предсуществовании обоих состояний. Для белков, в которых субъединицы существуют в более чем двух конформациях, может использоваться ландшафтная модель аллостерии, описанная Куэнде, Вайнштейном и ЛеВином.

Согласованная модель Согласованная модель аллостерии, также называемая моделью симметрии или моделью MWC, постулирует, что субъединицы фермента связаны таким образом, что конформационные изменения в одной субъединице обязательно передаются всем другим субъединицам. Таким образом, все субъединицы должны существовать в одной и той же конформации. Модель также утверждает, что в отсутствие какого-либо лиганда (субстрата или другого) равновесие благоприятствует одному из конформационных состояний, T или R. Равновесие может быть смещено в состояние R или T посредством связывания одного лиганда (аллостерический эффектор или лиганд) на сайт, отличный от активного сайта (аллостерический сайт).

Последовательная модель Последовательная модель аллостерической регуляции утверждает, что субъединицы не связаны таким образом, чтобы конформационные изменения в одной вызывали аналогичные изменения в других. Таким образом, все субъединицы фермента не требуют одинаковой конформации. Более того, последовательная модель диктует, что молекулы субстрата связываются посредством протокола индуцированной подгонки. Хотя такая индуцированная подгонка переводит субъединицу из напряженного состояния в расслабленное состояние, она не распространяет конформационные изменения на соседние субъединицы. Вместо этого связывание с субстратом одной субъединицы лишь слегка изменяет структуру других субъединиц, так что их сайты связывания более восприимчивы к субстрату.

Подводя итог:

субъединицы не обязательно должны существовать в одной и той же конформации молекулы субстрата связываются по протоколу индуцированной подгонки конформационные изменения не распространяются на все субъединицы

Модель Морфеина Морфеиновая модель аллостерической регуляции является диссоциативной согласованной моделью.

Морфеин — это гомоолигомерная структура, которая может существовать как ансамбль физиологически значимых и функционально различных альтернативных четвертичных ансамблей. Переходы между альтернативными сборками морфеина включают диссоциацию олигомеров, конформационные изменения в диссоциированном состоянии и повторную сборку с образованием другого олигомера. Требуемый этап разборки олигомера отличает модель морфеина для аллостерической регуляции от классических моделей MWC и KNF.

Порфобилиногенсинтаза (PBGS) является прототипом морфеина.

Ансамблевые модели Ансамблевые модели аллостерической регуляции перечисляют статистический ансамбль аллостерической системы в зависимости от её функции потенциальной энергии, а затем связывают конкретные статистические измерения аллостерии с определёнными энергетическими условиями в энергетической функции (такими как межмолекулярный солевой мост между двумя доменами). Ансамблевые модели, такие как ансамблевая аллостерическая модель и аллостерическая модель Изинга предполагают, что каждая область системы может принимать два состояния, аналогичные модели MWC. Модель ландшафта аллостерии, введенная Куэндет, Вайнштейном и ЛеВином позволяет доменам иметь любое количество состояний, и вклад определённого молекулярного взаимодействия в данное аллостерическое взаимодействие можно оценить с помощью строгого набора правил. Моделирование молекулярной динамики можно использовать для оценки статистического ансамбля системы, чтобы его можно было проанализировать с помощью ландшафтной модели аллостерии.

Аллостерическая модуляция

Аллостерическая модуляция используется для изменения активности молекул и ферментов в биохимии и фармакологии. Для сравнения, типичное лекарство создается для связывания с активным сайтом фермента, что, таким образом, запрещает связывание субстрата с этим ферментом, вызывая снижение активности фермента. Аллостерическая модуляция происходит, когда эффектор связывается с аллостерическим сайтом (также известным как регуляторный сайт) фермента и изменяет активность фермента. Аллостерические модуляторы разработаны так, чтобы соответствовать аллостерическому сайту, чтобы вызвать конформационное изменение фермента, в частности, изменение формы активного сайта, которое затем вызывает изменение его активности. В отличие от обычных лекарств модуляторы не являются конкурентными ингибиторами. Они могут быть положительными (активирующими), вызывающими повышение активности фермента, или отрицательными (ингибирующими), вызывающими снижение активности фермента. Использование аллостерической модуляции позволяет контролировать эффекты специфической активности ферментов; в результате аллостерические модуляторы очень эффективны в фармакологии. В биологической системе аллостерическую модуляцию трудно отличить от модуляции посредством представления субстрата.

Модель измерения энергии Примером этой модели является Mycobacterium tuberculosis, бактерия, которая идеально приспособлена к жизни в макрофагах человека. Сайты фермента служат связью между различными субстратами. В частности, между AMФ и Г-6-Ф. Такие сайты также служат механизмом определения эффективности фермента.

Положительная модуляция Положительная аллостерическая модуляция (также известная как аллостерическая активация) происходит, когда связывание одного лиганда увеличивает притяжение между молекулами субстрата и другими сайтами связывания. Примером является связывание молекул кислорода с гемоглобином, где кислород эффективно является и субстратом, и эффектором. Аллостерический или «другой» сайт является активным сайтом прилегающей белковой субъединицы. Связывание кислорода с одной субъединицей вызывает конформационные изменения в этой субъединице, которая взаимодействует с оставшимися активными центрами для повышения их сродства к кислороду. Другой пример аллостерической активации наблюдается в цитозольной IMP-GMP специфической 5'-нуклеотидазе II (cN-II), где сродство к субстрату GMP увеличивается при связывании GTP на границе раздела димеров.

Отрицательная модуляция Отрицательная аллостерическая модуляция (также известная как аллостерическое ингибирование) происходит, когда связывание одного лиганда снижает сродство к субстрату на других активных сайтах. Например, когда 2,3-БФГ связывается с аллостерическим участком гемоглобина, сродство к кислороду всех субъединиц снижается. Это происходит, когда регулятор отсутствует на сайте привязки.

Прямые ингибиторы тромбина являются прекрасным примером отрицательной аллостерической модуляции. Были обнаружены аллостерические ингибиторы тромбина, которые потенциально могут использоваться в качестве антикоагулянтов.

Другой пример — стрихнин, судорожный яд, который действует как аллостерический ингибитор рецептора глицина. Глицин является основным ингибирующим нейротрансмиттером в спинном мозге и стволе головного мозга млекопитающих. Стрихнин действует в отдельном сайте связывания на рецепторе глицина аллостерическим образом; то есть его связывание снижает сродство рецептора глицина к глицину. Таким образом, стрихнин подавляет действие тормозящего медиатора, что приводит к судорогам.

Другой пример, в котором можно увидеть отрицательную аллостерическую модуляцию, — это связь между АТФ и ферментом фосфофруктокиназой в петле отрицательной обратной связи, которая регулирует гликолиз. Фосфофруктокиназа (обычно называемая ФФК) — это фермент, который катализирует третью стадию гликолиза: фосфорилирование фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1,6-бисфосфат. ФФК может аллостерически подавляться высокими уровнями АТФ в клетке. Когда уровни АТФ высоки, АТФ будет связываться с аллосторным участком фосфофруктокиназы, вызывая изменение трехмерной формы фермента. Это изменение вызывает снижение его сродства к субстрату (фруктозо-6-фосфату и АТФ) в активном центре, и фермент становится неактивным. Это приводит к прекращению гликолиза при высоком уровне АТФ, сохраняя глюкозу в организме и поддерживая сбалансированный уровень клеточного АТФ. Таким образом, АТФ служит отрицательным аллостерическим модулятором для ФФК, несмотря на то, что он также является субстратом фермента.

Типы

Гомотропный Гомотропный аллостерический модулятор является субстратом для своего целевого белка, а также регуляторной молекулой активности белка. Обычно это активатор белка. Например, O2 и CO являются гомеотропными аллостерическими модуляторами гемоглобина. Аналогично, в IMP / GMP-специфической 5'-нуклеотидазе связывание одной молекулы GMP с единственной субъединицей тетрамерного фермента приводит к увеличению сродства к GMP последующих субъединиц, как показано на графиках сигмоидального субстрата в зависимости от скорости.

Гетеротропный Гетеротропный аллостерический модулятор — это регуляторная молекула, которая не является субстратом фермента. Это может быть активатор или ингибитор фермента. Например, H+, C2 и 2,3-бисфосфоглицерат являются гетеротропными аллостерическими модуляторами гемоглобина. И снова в IMP/GMP-специфической 5'-нуклеотидазе связывание молекулы GTP на границе димера в тетрамерном ферменте приводит к увеличению сродства к субстрату GMP в активном центре, что указывает на гетеротропную аллостерическую активацию K-типа.

Как было подробно отмечено выше, некоторые аллостерические белки могут регулироваться как их субстратами, так и другими молекулами. Такие белки способны как к гомотропным, так и к гетеротропным взаимодействиям.

Основные активаторы Некоторые аллостерические активаторы называются «незаменимыми» или «облигатными» активаторами в том смысле, что в их отсутствие активность их целевого фермента очень низкая или незначительная, как в случае с активностью N-ацетилглутамата в отношении карбамоилфосфатсинтетазой I, например.

Нерегулирующая аллостерия