Фермент кинетикасы мен химиялық байланыс: Кооперативтілік құбылысы

Кіріспе

Фермент кинетикасы және химиялық байланыстар

Кооперативтілік – бұл бір-біріне тәуелді әрекет ететін, бірдей немесе шамалы ғана ерекшеленетін элементтерді қамтитын жүйелерде байқалатын құбылыс, бұл гипотетикалық стандартты, өзара әрекеттеспейтін жүйеге қатысты, онда жеке элементтер тәуелсіз әрекет етеді. Мұның бір көрінісі – лигандқа байланысу орындарының лигандқа деген туыстығы көтерілген (оң кооперативтілік) немесе төмендеген (теріс кооперативтілік) ферменттер немесе рецепторлар, лиганд байланысқанда. Мысалы, оттегі атомы гемоглобиннің төрт байланысу орнының бірімен байланысқанда, қалған үш байланысу орнының оттегіге деген туыстығы артады; яғни, оттегі бір оттегімен байланысқан гемоглобинге, байланыспаған гемоглобинге қарағанда көбірек байланысуға бейім. Бұл кооперативті байланыс деп аталады. Біз сондай-ақ көптеген бірдей (немесе дерлік бірдей) кішібірліктерден (ДНҚ, ақуыздар және фосфолипидтер сияқты) тұратын үлкен тізбекті молекулаларда кооперативтілікті көреміз, мұндай молекулалар балқу, бүктелу немесе ашылу сияқты фазалық өтулерге ұшырайды. Бұл кішібірлік кооперативтілігі деп аталады. Дегенмен, бірізді лиганд байланысу қадамдарындағы туыстықтың айқын өсуіне немесе төмендеуіне негізделген кооперативтіліктің анықтамасы мәселелі, себебі «энергия» ұғымы әрқашан стандартты күйге қатысты анықталуы тиіс. Бір лиганд байланысқанда туыстық артады десек, бұл эмпирикалық тұрғыдан нақты емес, өйткені байланыс энергиясын және осыған байланысты туыстықты қатаң анықтау үшін кооперативті емес байланыс қисығы қажет. Оң кооперативтіліктің әлдеқайда жалпы және пайдалы анықтамасы: бірнеше бірдей инкрементті қадамдарды қамтитын процесс, онда аралық күйлер гипотетикалық стандартты жүйеге (бұл жоқ гипотеза) қатысты статистикалық тұрғыдан аз кездеседі. Сол сияқты, теріс кооперативтіліктің анықтамасы – бірнеше бірдей инкрементті қадамдарды қамтитын процесс, онда аралық күйлер жеке қадамдар тәуелсіз болатын гипотетикалық стандартты күйге қатысты артық кездеседі. Оң және теріс кооперативтіліктің осы анықтамалары «кооперативті» деп аталатын барлық процестерді, соның ішінде ірі молекулалардағы конформациялық өтулерді (мысалы, ақуыздар) және тіпті көптеген адамдардың психологиялық құбылыстарын (бір-бірінен тәуелсіз немесе кооперативті түрде әрекет ете алатын) қамтиды.

Cooperativity is a phenomenon displayed by systems involving identical or near identical elements, which act dependently of each other, relative to a hypothetical standard non interacting system in which the individual elements are acting independently. One manifestation of this is enzymes or receptors that have multiple binding sites where the affinity of the binding sites for a ligand is apparently increased, positive cooperativity, or decreased, negative cooperativity, upon the binding of a ligand to a binding site. For example, when an oxygen atom binds to one of hemoglobin's four binding sites, the affinity to oxygen of the three remaining available binding sites increases; i. e. oxygen is more likely to bind to a hemoglobin bound to one oxygen than to an unbound hemoglobin. This is referred to as cooperative binding. We also see cooperativity in large chain molecules made of many identical (or nearly identical) subunits (such as DNA, proteins, and phospholipids), when such molecules undergo phase transitions such as melting, unfolding or unwinding. This is referred to as subunit cooperativity. However, the definition of cooperativity based on apparent increase or decrease in affinity to successive ligand binding steps is problematic, as the concept of "energy" must always be defined relative to a standard state. When we say that the affinity is increased upon binding of one ligand, it is empirically unclear what we mean since a non cooperative binding curve is required to rigorously define binding energy and hence also affinity. A much more general and useful definition of positive cooperativity is: A process involving multiple identical incremental steps, in which intermediate states are statistically underrepresented relative to a hypothetical standard system (null hypothesis) where the steps occur independently of each other. Likewise, a definition of negative cooperativity would be a process involving multiple identical incremental steps, in which the intermediate states are overrepresented relative to a hypothetical standard state in which individual steps occur independently. These latter definitions for positive and negative cooperativity easily encompass all processes which we call "cooperative", including conformational transitions in large molecules (such as proteins) and even psychological phenomena of large numbers of people (which can act independently of each other, or in a co operative fashion).

Ынтымақтастық байланыстыру

Субстрат бір ферменттік кішібірлікке байланысса, қалған кішібірліктер ынталандырылып, белсенді болады. Лигандтар оң кооперативтілік, теріс кооперативтілік немесе кооперативтілік болмауы сипаттарымен қатар жүруі мүмкін. Оң кооперативтілікке мысал – оттегінің гемоглобинмен байланысуы. Бір оттегі молекуласы гемоглобин молекуласының төрт тізбегінің әрқайсысындағы гемнің темір ионына байланыса алады. Дезоксигемоглобиннің оттегіге деген туыстығы салыстырмалы түрде төмен, бірақ бір молекула бір гемге байланысқанда, оттегіге деген туыстық артады, бұл екінші молекуланың оңайырақ, ал үшінші және төртінші молекулалардың одан да оңайырақ байланысуына мүмкіндік береді. 3 оксигемоглобиннің оттегіге деген туыстығы дезоксигемоглобиндікінен шамамен 300 есе жоғары. Бұл қасиет гемоглобиннің туыстық қисығын мономерлік миоглобинге тән гиперболалық емес, сигмоид пішінде болуына әкеледі. Сол сияқты, гемоглобиннің оттегіні босату қабілеті де байланысқан оттегі молекулаларының саны азайған сайын артады.

Ішкі бірлік кооперативтілігі

Кооперативтілік – лиганд байланыстыру құбылысы ғана емес, сонымен қатар энергетикалық өзара әрекеттесулер бірнеше бірліктерді қатыстыруды жеңілдеткенде не қиындатқанда кездеседі, жалғыз бірліктерге қарағанда. (Яғни, бірнеше бірліктің қосылуынан күтілетін нәтижемен салыстырғанда жеңіл не қиын). Мысалы, ДНК-ның ашылуы кооперативтілікпен байланысты: ДНК-ның репликация, транскрипция және рекомбинация процестерін жүзеге асыру үшін ДНК-ның бөліктері ашылуы тиіс. Жақын орналасқан ДНК нуклеотидтері арасындағы оң кооперативтілік, ДНК тізбегі бойымен шашырап орналасқан нуклеотидтердің сол санынан гөрі, жақын орналасқан нуклеотидтердің тобын ашуды жеңілдетеді. Кооперативтік бірліктің мөлшері – оң кооперативтіліктің әсерінен бірлік ретінде ашылатын көршілес базалардың саны. Бұл құбылыс басқа тізбекті молекулаларға да қатысты, мысалы, ақуыздардың бүктелуі мен ашылуы, сондай-ақ жасуша мембраналарын құрайтын фосфолипидтік тізбектердің "еруі" сияқты процестерге. Суббөлімдердің кооперативтілігі Хилл тұрақтысы деп аталатын салыстырмалы шкала бойынша өлшенеді.

Хилл теңдеуі

Молекулалық өзара әрекеттесуді сипаттау үшін қолданылатын қарапайым және кең таралған модель – Хилл теңдеуі. Ол лиганд концентрациясына тәуелді қаныққан лиганд байланысу орындарының үлесін анықтау арқылы кооперативтік байланысты сандық тұрғыдан бағалауға мүмкіндік береді.

Жауап коэффициенті

Глобалды сезімталдық өлшемдері, мысалы, Хилл коэффициенті, S пішіндес қисықтардың жергілікті қасиеттерін сипаттамайды. Олардың орнына, бұл ерекшеліктер жауап коэффициентімен жақсы анықталады:

Жүйелік биологияда мұндай жауаптар эластичность деп аталады.

Хилл коэффициенті мен жауап коэффициентінің арасындағы байланыс

Altszyler және басқалар. (2017) осы жоғары сезімталдық өлшемдерін келесі теңдеу арқылы байланыстыруға болатынын көрсетті: әртүрлі қабаттардың жергілікті жоғары сезімталдықтары көбейтіліп біріктіріледі. Осы нәтижеге байланысты Ferrell және басқалар. (1997) Hill типті модульдер үшін жалпы каскадтың жаһандық жоғары сезімталдығы әр каскадтың қабатының жаһандық жоғары сезімталдығының бағалауының көбейтіндісінен кем немесе тең болуы керек екенін көрсетті (яғни қабаттардың комбинациясының жоғары сезімталдығы жеке жоғары сезімталдықтардың көбейтіндісінен жоғары), бірақ көп жағдайларда супермультипликативтіліктің нақты себебі анықталмады. Altszyler және басқалар. (2017) ұсынған тәсіл супермультипликативті мінез-құлықтың пайда болуы мүмкін болатын жалпы сценарийді көрсетті. Бұл, егер белгілі бір модуль үшін Hill-дің кіріс жұмыс диапазоны тиісті доза-жауап қисығының жаһандық жоғары сезімталдығынан жоғары жергілікті жоғары сезімталдыққа ие кіріс аймағында орналасса, мүмкін болады.