Кіріспе

Молекулалық механизм. Кооперативті байланыс бір түрінен немесе бірнеше түрінен молекулалар бар молекулалық байланыс жүйелерінде пайда болады, мұнда серіктестердің бірі моновалентті емес және екінші түрдің бірнеше молекуласына байланыса алады. Жалпы алғанда, молекулалық байланыс – бұл молекулалардың өзара әрекеттесуі, нәтижесінде олардың арасында тұрақты физикалық байланыс құрылады. Кооперативті байланыс молекулалық байланыс жүйесінде екі немесе одан көп лиганд молекуласы рецептор молекуласына байланыса алатын жағдайда жүзеге асады. Егер лигандтың бірінші молекуласы рецепторға байланысқанда екінші лиганд молекуласының байланысу қабілеті өзгерсе, онда бұл байланыс «кооперативті» деп есептеледі. Лиганд молекулаларының рецептор молекуласындағы әртүрлі орындарға байланысуы өзара тәуелсіз құбылыс емес. Кооперативтілік оң немесе теріс болуы мүмкін, яғни кезекті лиганд молекулаларының рецепторға байланысу ықтималдығы артуы немесе азаюы мүмкін. Кооперативті байланыс көптеген биополимерлерде, соның ішінде ақуыздар мен нуклеин қышқылдарында кездеседі. Кооперативті байланыс көптеген биохимиялық және физиологиялық процестердің негізгі механизмі болып табылады.

Кристиан Бор және кооперативтік байлау түсінігі

1904 жылы Кристиан Бор гемоглобиннің әртүрлі жағдайларда оттегімен байланысуын зерттеді. Гемоглобиннің оттегімен қанығуын оттегінің жартылай қысымына тәуелділік ретінде көрсеткенде, ол сигмоидты (немесе "S пішіндес") қисық алды. Бұл гемоглобинге қаншама көп оттегі байланысса, қалған оттектің байланысуы соншама жеңілдеу болады, барлық байланыс орындары толығанша. Сонымен қатар, Бор көмірқышқыл газының қысымын арттырудың бұл қисықты оңға қарай жылғазатынын анықтады, яғни көмірқышқыл газының жоғары концентрациясы гемоглобинге оттегімен байланысуды қиындатады.

Хилл теңдеуі

А.В. Хилл көп орынды ақуызға кооперативті байланыстың алғашқы сипаттамасын жасады. Гемоглобинге оттектің байланысуын байқауларға және кооперативтіліктің гемоглобин молекулаларының бірігуінен туындайтыны туралы идеяға сүйене отырып, Хилл кейіннен оның атымен аталатын феноменологиялық теңдеуді ұсынды:

мұнда – «Хилл коэффициенті», – лиганд концентрациясын білдіреді, – көрінетін ассоциация тұрақтысы (теңдеудің бастапқы түрінде қолданылады), – эмпирикалық диссоциация тұрақтысы, ал – микроскопиялық диссоциация тұрақтысы (теңдеудің қазіргі түрлерінде қолданылады және -қа тең). Егер , жүйе теріс кооперативтілікті көрсетеді, ал егер болса, кооперативтілік оң болады. Лигандты байланыстыру орындарының жалпы саны Хилл теңдеуінің жоғарғы шегі болып табылады. Хилл теңдеуін сызықтық түрде былай көрсетуге болады:

«Хилл графигі» – бұл теңдеуін пайдаланып, координаталар бойынша салынған график. Хилл теңдеуінің жағдайында ол көлбеуі және қиылысы бар түзу сызық болады. Бұл кооперативтіліктің тұрақты деп есептелетінін білдіреді, яғни ол қанығуға байланысты өзгермейді. Сондай-ақ, байланыстыру орындары әрқашан бірдей туыстыққа ие және кооперативтілік лиганд концентрациясының өсуімен байланысты туыстықтың нәтижесі емес екенін көрсетеді.

Клоц теңдеуі

Кальций байланыстыратын ақуыздармен жұмыс істеген Ирвинг Клоц, Адаирдің ассоциациялық константаларын аралық сатылардың кезең-кезеңмен қалыптасуын ескере отырып, жіктеді және кооперативтік байланысты массалық әрекет заңымен басқарылатын элементарлық процестер арқылы түсіндіруге тырысты. Оның аясында, бірінші лиганд молекуласының байланысын басқаратын ассоциация константасы , екінші лиганд молекуласының байланысын басқаратын ассоциация константасы (біріншісі бұрыннан байланғаннан кейін) және т.б. болады. Бұл мынаны береді: Константалар және т.б. жеке байланыс орындарымен байланысты емес екенін атап өту керек. Олар қай орындар емес, қанша байланыс орындарының толғанын сипаттайды. Бұл форманың артықшылығы – ассоциация константаларын қарастырғанда кооперативтілікті оңай анықтау мүмкіндігі. Егер барлық лиганд байланыс орындары микроскопиялық ассоциация константасымен бірдей болса, онда кооперативтілік болмаған жағдайда (яғни ) күтілуі керек. Егер константалар күтілетін мәндерден жоғары болса, онда оң кооперативтілік болады. Клоц теңдеуі (кейде Адаир-Клоц теңдеуі деп те аталады) лиганд байланысын өлшеуді тізбектік көрінетін байланыс константалары арқылы сипаттау үшін тәжірибелік әдебиетте жиі қолданылады.

Паулинг теңдеуі

20 ғасырдың ортасына қарай, байланысу қисықтарын тек феноменологиялық тұрғыдан ғана сипаттап қана қоймай, сонымен қатар жатқызылған биохимиялық механизмді ұсынатын модельдерге қызығушылық күшейді. Линус Паулинг Адаир берген теңдеуді қайта қарастырып, оның тұрақтылары лигандқа байланысу тұрақтысының (төмендегі теңдеуде) және кооперативті белоктың суббірліктері арасындағы өзара әрекеттесуден туындаған энергияның (төменде) комбинациясы екенін болжады. Паулинг іс жүзінде суббірліктер арасындағы өзара әрекеттесу деңгейіне байланысты бірнеше теңдеулерді тудырды. Гемоглобиннің қышқылтегімен байланысуын сипаттау үшін, гемоглобиннің орналасуы туралы бұрыс пікірлерге сүйене отырып, суббірліктердің төртбұрышты түрде орналасқандығын қабылдады. Төмендегі теңдеу гемоглобин үшін дәлірек болатын тетраэдрлік құрылымның теңдеуін ұсынады:

KNF моделі

Кооперативті ақуыздардың лигандымен байланысқанда құрылымы өзгеретінін көрсететін нәтижелерге сүйене отырып, Дэниел Кошланд және әріптестері Паулинг сипаттаған механизмнің биохимиялық түсіндірмесін жетілдірді. KNF моделі бойынша, кооперативтілік суббірліктер арасындағы өзара әрекеттесуден туындайды, оның күші қатысатын суббірліктердің салыстырмалы конформациясына байланысты өзгереді. Тетраэдрлік құрылым үшін (олар сызықтық және шаршы құрылымдарды да қарастырды) олар келесі формуланы ұсынды:

Мұнда – X үшін ассоциация тұрақтысы, – лиганд болмағандағы B және A күйлерінің қатынасы («өтпелі қалып»), ал – екі суббірлік А күйінде болған жұпқа шаққандағы көршілес суббірліктер жұбының салыстырмалы тұрақтылығы (Ескеріңіз, KNF мақаласында іс жүзінде – орналасқан орындардың саны келтірілген, бұл жерде 4 есе көп).

MWC моделі

Монод-Вайман-Ченжу (MWC) моделі концерттік аллостериялық транзициялар үшін термодинамика мен үш өлшемді конформациялар негізінде кооперативтілікті зерттеу арқылы бір қадам алға жылжыды. Бұл модель бастапқыда симметриялық орналасқан, бірдей субъединицалары бар олигомерлік ақуыздар үшін жасалған, олардың әрқайсысында бір лиганд байланысу орны бар. Осы қағида бойынша, аллостериялық ақуыздың екі (немесе одан көп) өзара айналатын конформациялық күйлері жылулық тепе-теңдікте бірге болады. Көбінесе тартылған (Т) және босаңсыған (R) күйлері деп аталатын бұл күйлер лиганд молекуласына деген туыстығымен ерекшеленеді. Екі күйдің арақатынасы лиганд молекулаларының байланысуымен реттеледі, бұл жоғары туыстығы бар күйді тұрақтандырады. Маңыздысы, молекуланың барлық субъединицалары бір уақытта күйін өзгертеді, бұл құбылыс «концерттік транзиция» деп аталады. Аллостериялық изомеризация тұрақтысы L лиганд молекуласы байланыспаған кезде екі күйдің тепе-теңдігін сипаттайды: егер L өте үлкен болса, лиганд болмағанда ақуыздың көп бөлігі Т күйінде болады. Егер L кішкентай болса (бірге жуық), R күйі T күйіне шамалас болады. Лигандтың Т және R күйлеріндегі диссоциация тұрақтыларының қатынасы c тұрақтысымен сипатталады: егер , R және T күйлерінің екеуі де лигандқа бірдей туыстыққа ие және лиганд изомеризацияға әсер етпейді. c мәні сондай-ақ лиганд байланысқанда Т және R күйлері арасындағы тепе-теңдіктің қаншалықты өзгеретінін көрсетеді: c неғұрлым кішкентай болса, бір байланысқаннан кейін тепе-теңдік R күйіне қарай ауысады. Фракциялық толтыру келесідей сипатталады:

Аллостериялық ақуыздардың сигмоидтық Хилл графигі қанығудың артуымен Т күйінен (төмен туыстық) R күйіне (жоғары туыстық) прогрессивті ауысу ретінде талданады. Хилл графигінің еңісі де қанығуға байланысты, ең жоғары мәні иілу нүктесінде. Екі асимптота мен y ось арасындағы қиылысулар лиганд үшін екі күйдің туыстығын анықтауға мүмкіндік береді. Ақуыздар конформациялық өзгерістер көбінесе белсенділікпен немесе нақты мақсаттарға қатысты белсенділікпен байланысты. Мұндай белсенділік көбінесе физиологиялық маңызға ие немесе экспериментальды түрде өлшенетін нәрсе. Конформациялық өзгерістердің дәрежесі күй функциясымен сипатталады , ол күйдегі ақуыздың үлесін көрсетеді. Энергиялық диаграммада көрсетілгендей, лиганд молекулалары байланысқан сайын энергия артады. өрнегі:

MWC моделінің маңызды ерекшелігі — және қисықтары сәйкес келмейді, яғни фракциялық қанығу конформациялық күйдің (демек, белсенділіктің) тікелей көрсеткіші емес. Сонымен қатар, байланыстың кооперативтілігі мен активацияның кооперативтілігі деңгейі өте әртүрлі болуы мүмкін: экстремалды жағдайды бактериялардың қамшы моторы 1,7 Хилл коэффициентімен байланыс үшін және 10,3 активация үшін көрсетеді. Жауаптың сызықтықтан жоғары болуы кейде ультра сезімталдық деп аталады. Егер аллостериялық ақуыз R күйіне жоғары туыстығы бар нысанаға байланысса, онда нысанаға байланысу R күйін одан әрі тұрақтандырады, соның салдарынан лиганд туыстығы артады. Егер нысана T күйіне артықшылықпен байланысса, онда нысанаға байланысу лиганд туыстығына теріс әсер етеді. Мұндай нысаналар аллостериялық модуляторлар деп аталады. MWC қағидасы қабылданғаннан бері ол кеңейтіліп, жалпыланды. Әртүрлі нұсқаулар ұсынылды, мысалы, екі күйден астам күйі бар ақуыздарды, бірнеше лиганд түрлеріне немесе бірнеше аллостериялық модуляторларға байланысатын ақуыздарды қамтамасыз ету үшін.

Мысалдар

Лигандтардың кооперативтік байланысын көрсететін молекулалық жиынтықтардың тізімі өте кең, бірақ кейбір мысалдар тарихи маңызы, ерекше қасиеттері немесе физиологиялық ролі үшін ерекше атақты. Тарихи бөлімде сипатталғандай, кооперативтік байланыстың ең белгілі мысалы – гемоглобин. Макс Перутц рентгендік сәулелердің дифракциясы арқылы анықтаған оның төртіншілік құрылымы, оттегіге байланысатын төрт орынды (гемдерді) қамтитын жартылай симметриялық тетраэдрді көрсетеді. Көптеген басқа молекулалық жиынтықтар кооперативтік байланыс тұрғысынан жан-жақты зерттелген.

Мультимерик ферменттер

Көптеген ферменттердің белсенділігі аллостерикалық эффектторлармен реттеледі. Осы ферменттердің кейбіреулері мультимерлі болып келеді және реттегіштерге бірнеше байланысу орындарына ие. Треонин деаминаза гемоглобин сияқты мінез-құлық танытып, лигандтарды кооперативті түрде байланыстыратын алғашқы ферменттердің бірі болды. Кейіннен ол тетрамерлі ақуыз екені анықталды. Лигандтарды кооперативті түрде байланыстыру қабілеті ертеден болжанып келген тағы бір фермент – аспартат транскарбамилаза. Бастапқы модельдер төрт байланысу орынымен сәйкес болғанымен, Уильям Липскомб және оның әріптестері оның құрылымы гексамерлі екенін көрсетті.

Иондық арналар

Иондық арналардың көпшілігі бірнеше бірдей немесе жартылай бірдей мономерлерден немесе биологиялық мембраналарда симметриялық орналасқан домендерден тұрады. Лигандтармен ашылуы реттелетін мұндай арналардың бірнеше класы осы лигандтардың кооперативтік байланысын көрсетеді. Әлгі арналардың нақты табиғаты әлі белгісіз болған 1967 жылдан бері никотиндік ацетилхолин рецепторларының ацетилхолинді бірнеше байланыс орындарының болуына байланысты кооперативтік түрде байланыстыратыны болжамдалды. Рецепторды тазарту және оның сипаттамасы, рецептордың байланыс доменінің құрылымымен расталған, суббөлімдер арасындағы интерфейстерде орналасқан байланыс орындары бар пентамерлік құрылымды көрсетті. Инозитол трифосфаты (IP3) рецепторлары – кооперативтік байланысты көрсететін лигандқа тәуелді иондық арналардың тағы бір класын құрайды. Бұл рецепторлардың құрылымы симметриялық түрде орналасқан төрт IP3 байланыс орнын көрсетеді.

Көп орынды молекулалар

Көптеген кооперативті байланыс көрсететін белоктар гомологты суббірліктердің мультимерлік кешендері болғанымен, кейбір белоктардың бір полипептидінде бір лигандқа бірнеше байланысу орындары болады. Кальмодулин – осыған бір мысал. Кальмодулиннің бір молекуласы төрт кальций ионын кооперативті түрде байланыстырады. Оның құрылымында төрт EF қол домені бар, олардың әрқайсысы бір кальций ионын байланыстырады. Молекула шаршы немесе тетраэдр пішіндес емес, екі лобтан тұрады, олардың әрқайсысында екі EF қол домені орналасқан.

Транскрипция факторлары

Сондай-ақ, белоктардың нуклеин қышқылдарына кооперативті байланысуы да көрсетілген. Классикалық мысал – ламбда фагының репрессорының операторларына байланысуы, ол кооперативті түрде жүзеге асады. Басқа транскрипция факторлары да өз мақсаттарына байланысқанда оң кооперативтілікті көрсетеді, мысалы, TtgABC сорғыларының репрессоры (n=1.6), сондай-ақ HOXA11 және FOXO1 транскрипция факторлары көрсеткендей, шартты кооперативтілікті де көрсетеді. Керісінше, транскрипция факторларының байланысуы үшін теріс кооперативтіліктің мысалдары да анықталды, мысалы, Pseudomonas putida цитохромы P450cam гидроксилаза оперонының гомодимерлік репрессоры (n=0.56) үшін.

Сәйкестік таралу және міндетті кооператив

Бастапқыда, кейбір белоктар, әсіресе көптеген суббірліктерден тұратындары, жалпыланған MWC механизмі арқылы реттелуі мүмкін деген пікір айтылды, онда R және T күйлері арасындағы өту бүкіл белок бойынша міндетті түрде синхронды болуы керек емес. 1969 жылы Уайман омыртқасыздардың тыныс алу протеиндері үшін "аралас конформациялар" (яғни, кейбір суббірліктер R күйінде, ал кейбіреулері T күйінде) болатын модель ұсынды. Дюк және оның әріптестерінің конформациялық таралу моделі осыған ұқсас идеяны қолданып, KNF және MWC модельдерін ерекше жағдайлар ретінде қарастырады. Бұл модельде суббірлік лигандқа байланысқанда (KNF моделіндегідей) конформациясын автоматты түрде өзгертпейді, сонымен қатар кешендегі барлық суббірліктер бірдей конформацияны бірге өзгертпейді (MWC моделіндегідей). Конформациялық өзгерістер стохастикалық болып табылады, суббірліктің күйін ауыстыру ықтималдығы лигандқа байланыстылығына және көршілес суббірліктердің конформациялық күйіне байланысты. Осылайша конформациялық күйлер бүкіл кешенге "таралуы" мүмкін.

Модульдің аса сезімталдыққа әсері

Тірі клеткада, өте сезімтал модульдер жоғары және төменгі буындармен үлкен желіге енген. Бұл буындар модуль қабылдайтын кіріс диапазонын, сондай-ақ желі анықтай алатын модульдің шығыстарының диапазонын шектеуі мүмкін. Модульдік жүйенің сезімталдығына осы шектеулер әсер етеді. Төменгі буындардың тудыратын динамикалық диапазон шектеулері, модульді жеке қарастырғандағы сезімталдығынан әлдеқайда жоғары тиімді сезімталдықтарды құруы мүмкін.