Кіріспе
Энзимдік белсенділікті реттеу
Биохимияда аллостериялық реттеу (немесе аллостериялық бақылау) – ферменттің белсенді орынынан өзге жерге эффектор молекуласының байланысуы арқылы ферменттің реттелуі. Эффектор байланысатын орын аллостериялық немесе реттеуші орын деп аталады. Аллостериялық орындар эффекторлардың белокқа байланысуына мүмкіндік береді, бұл көбінесе конформациялық өзгерістерге және/немесе белок динамикасының өзгеруіне алып келеді. Белоктың белсенділігін күшейтетін эффекторлар аллостериялық активаторлар деп, ал белсенділігін төмендететін эффекторлар аллостериялық ингибиторлар деп аталады. Аллостериялық реттеулер – бақылау тізбектерінің табиғи мысалы, мысалы, төменгі ағындағы өнімдерден кері байланыс немесе жоғары ағындағы субстраттардан алдын ала хабарлау. Ұзақ қашықтықтағы аллостерия жасушалық сигналдауда ерекше маңызды. Аллостериялық реттеу жасушаның ферменттік белсенділікті реттеу қабілеті үшін де аса маңызды. Аллостерия термині ежелгі грек тіліндегі allos – "басқа" және stereos – "қатты (зат)" сөздерінен шыққан. Бұл аллостериялық белоктың реттеуші орыны оның белсенді орынынан физикалық тұрғыдан ерекшеленетіндігіне байланысты. Аллостерия, ферментті белсендіру үшін конформациялық өзгерістерді қажет етпейтін субстраттың ұсынылуынан өзгеше.
Модельдер
Көптеген аллостерикалық эффектілерді Монод, Уайман және Ченжу ұсынған келісімді MWC моделімен немесе Кошланд, Немети және Филмер сипаттаған тізбектелген модельмен (KNF моделі деп те аталады) түсіндіруге болады. Екеуі де ақуыздың кішібірліктері екі конформацияның бірінде – тартылған (Т) немесе босаңсқан (R) күйінде болады, сондай-ақ босаңсқан кішібірліктер тартылған күйдегілерге қарағанда субстратқа оңайрақ байланысады деп болжайды. Екі модельдің басты айырмашылығы кішібірліктердің өзара әрекеттесуі және екі күйдің алдын ала болуы туралы болжамдарында. Егер кішібірліктері екі конформациядан артық күйде болса, онда Куенде, Вайнштейн және ЛеВайн сипаттаған аллостерия ландшафты моделін қолдануға болады. Алостерикалық реттелуге ірі масштабты, төмен энергиялы конформациялық өзгерістердің эволюциясы көмектеседі, бұл алыс байланыс орындары арасындағы ұзақ қашықтықтағы аллостерикалық өзара әрекеттесуді мүмкін етеді.
Бірлескен үлгі
Алостерияның келісілген моделі, сондай-ақ симметрия моделі немесе MWC моделі деп аталатын бұл теория, фермент суббірліктерінің бір-бірімен байланысқандығын, сондықтан бір суббірліктегі конформациялық өзгерістің міндетті түрде барлық басқа суббірліктерге берілетінін болжайды. Осылайша, барлық суббірліктер бірдей конформацияда болуы тиіс. Бұл модельде, ешқандай лиганд (субстрат немесе басқа) болмаған жағдайда, тепе-теңдік T немесе R конформациялық күйлерінің біріне қарай бұрылады. Бір лигандтың (аллостериялық эффект немесе лиганд) белсенді орыннан өзгеше сайтқа байланысуы арқылы тепе-теңдікті R немесе T күйіне қарай өзгертуге болады.
Морфеин үлгісі
Аллостерикалық реттелудің морфеин моделі – диссоциативті келісімді модель. Морфеин – физиологиялық маңызы бар және функционалдық тұрғыдан әртүрлі төртіншілік құрылымдар жиынтығы ретінде бола алатын гомоолигомерлік құрылым. Морфеиннің баламалы құрылымдары арасындағы өтулер олигомердің диссоциациялануын, диссоциацияланған күйдегі конформациялық өзгерістерді және басқа олигомерге қайта жиналуды қамтиды. Олигомерлерді бөлшектеудің қажетті қадамы морфеиннің аллостерикалық реттелу моделін классикалық MWC және KNF модельдерінен ажыратады. Порфобилиноген синтетазасы (ПБГС) – морфеиннің прототипі болып табылады.
Жалпы үлгілер
Аллостериялық реттеудің жиынтық модельдері аллостериялық жүйенің статистикалық жиынтығын оның потенциалдық энергия функциясының тәуелділігі ретінде есептейді, содан кейін аллостерияның нақты статистикалық өлшемдерін энергия функциясының нақты энергия шарттарымен байланыстырады (мысалы, екі домен арасындағы молекулааралық тұздық байланыс). Ансамбльдік аллостериялық модель және аллостериялық Исинг моделі сияқты жиынтық модельдер жүйенің әрбір доменінің MWC моделіне ұқсас екі күйге өте алатынын қабылдайды. Куендет, Вайнштейн және ЛеВайн енгізген алостериялық ландшафт моделі бойынша, биологиялық жүйеде аллостериялық модуляцияны субстраттың ұсынылуы арқылы болатын модуляциядан ажырату қиын болуы мүмкін.
Энергияны анықтау моделі
Бұл модельдің мысалы – Mycobacterium tuberculosis, адамның макрофагтарында өмір сүруге толыққанды бейімделген бактерия. Ферменттің байланыс орындары әртүрлі субстраттар арасындағы қарым-қатынас құралы ретінде қызмет етеді, атап айтқанда АМФ және G6P арасында. Мұндай орындар ферменттің тиімділігін бағалау механизмі болып табылады.
Оң модуляция
Оң аллостериялық модуляция (сондай-ақ аллостериялық активация деп аталады) бір лигандтың байланысуы субстрат молекулалары мен басқа байланыс орындары арасындағы тартылысты күшейткен кезде жүзеге асады. Мысалы, гемоглобинге оттегі молекулаларының байланысуын қарастыруға болады, онда оттегі бірдей субстрат және эффект ретінде әрекет етеді. Аллостериялық, немесе "басқа" сайт – іргелес ақуыз суббірлігінің белсенді орны. Оттегінің бір суббірлікке байланысуы сол суббірлікте конформациялық өзгеріске алып келеді, ол қалған белсенді орындармен өзара әрекеттесіп, олардың оттегіге деген туыстығын арттырады. Аллостериялық активацияның тағы бір мысалы цитозольдық IMP GMP-спецификалық 5' нуклеотидаза II (cN II) үшін байқалады, онда димер интерфейсінде GTP байланысқанда GMP субстратына деген туыстық артады.
Теріс модуляция
Алостериялық теріс модуляция (аллостериялық ингибиция деп те аталады) бір лигандтың байланысуы басқа белсенді орындардағы субстратқа деген туыстықты төмендеткенде жүзеге асады. Мысалы, 2,3 BPG гемоглобиннің аллостериялық орынына байланысқанда, барлық кішібірліктердің оттегіге деген туыстығы төмендейді. Бұл реттегіш байланысу орнында болмағанда болады. Тікелей тромбин ингибиторлары теріс аллостериялық модуляцияның тамаша мысалы болып табылады. Тромбиннің аллостериялық ингибиторлары табылды, оларды антикоагулянттар ретінде қолдануға болады. Тағы бір мысал – стрихнин, құрысулы у, ол глицин рецепторының аллостериялық ингибиторы болып табылады. Глицин – сүтқоректілердің жұлын және ми сабағындағы маңызды постсинаптикалық тежегіш нейротрансмиттер. Стрихнин глицин рецепторының бөлек байланысу орнына аллостериялық түрде әсер етеді; яғни, оның байланысуы глицин рецепторының глицинге деген туыстығын төмендетеді. Осылайша, стрихнин тежегіш берілістің әрекетін тежейді, нәтижесінде құрысулар пайда болады. Теріс аллостериялық модуляцияны көруге болатын тағы бір жағдай – АТФ және гликолизді реттейтін теріс кері байланыс циклындағы фосфофруктокиназа ферменті арасындағы байланыс. Фосфофруктокиназа (көбінесе PFK деп аталады) – гликолиздің үшінші қадамын катализдейтін фермент: фруктоза-6-фосфатының фруктоза-1,6-бисфосфатына фосфорилирленуі. PFK жасушадағы жоғары деңгейдегі АТФ арқылы аллостериялық түрде тежелуі мүмкін. АТФ деңгейі жоғары болғанда, АТФ фосфофруктокиназаның аллостериялық орынына байланысады, бұл ферменттің үш өлшемді пішінін өзгертеді. Бұл өзгеріс белсенді орындағы субстратқа (фруктоза-6-фосфаты және АТФ) деген туыстықты төмендетеді және фермент белсенді емес деп есептеледі. Бұл АТФ деңгейі жоғары болғанда гликолиздің тоқтауына әкеледі, осылайша организмнің глюкозасын сақтап және жасушалық АТФ деңгейін теңгерімде ұстайды. Осылайша, АТФ ферменттің өзі субстраты болғанына қарамастан, PFK үшін теріс аллостериялық модулятор болып табылады.
Гомотроптық
Гомотроптық аллостерикалық модулятор – бұл оның мақсатты протеині үшін субстрат, сонымен қатар протеиннің активтілігін реттейтін молекула. Ол әдетте протеиннің активаторы болып табылады. Мысалы, O2 және CO гемоглобиннің гомотроптық аллостерикалық модуляторлары болып табылады. Сол сияқты, IMP/GMP спецификалық 5' нуклеотидазада, тетрамерлі ферменттің бір кішібірлігіне GMP молекуласының байланысуы, сигмоидтық субстратқа қарсы жылдамдық графиктері көрсеткендей, келесі кішібірліктерде GMP-ға сәйкестіктің артуына әкеледі. Тағы да, IMP/GMP спецификалық 5' нуклеотидазада, тетрамерлі ферменттегі димер интерфейсінде GTP молекуласының байланысуы белсенді орындағы субстрат GMP-ға сәйкестіктің жоғарылауына әкеледі, бұл K типіндегі гетеротроптық аллостерикалық активацияны көрсетеді.
Регуляциялық емес аллостерия
Регулятор емес аллостерикалық орын – ферменттің (немесе кез келген белоктың) аминқышқылы емес, реттеуге қатыспайтын кез келген құрауы. Мысалы, көптеген ферменттердің қалыпты жұмыс істеуі үшін натриймен байланысу қажет. Бірақ натрий міндетті түрде реттеуші бөлік ретінде әрекет етпейді; натрий әрқашан болады және ферменттік белсенділікті реттеу үшін натрийді қосу не алып тастауға қатысатын ешқандай биологиялық процестер белгілі емес. Реттеуге қатыспайтын аллостерияға натрийден басқа (кальций, магний, мырыш) иондар, сондай-ақ басқа химиялық заттар мен мүмкін витаминдер де жатуы мүмкін.
Фармакология
Алостерикалық модуляция рецептордың алостерикалық модуляторлардың эндогендік лигандтан (активті орыннан) өзгеше жерде ("реттеуші орын") байланысуы нәтижесінде туындайды және эндогендік лигандтың әсерін күшейтеді немесе тежейді. Қалыпты жағдайда, ол рецептор молекуласының конформациялық өзгерісін тудыру арқылы әрекет етеді, бұл лигандтың байланысу туыстығының өзгеруіне алып келеді. Осылайша, алостериялық лиганд рецептордың өзінің негізгі ортостериялық лигандысымен белсендіруін модуляциялайды және оны электр тізбегіндегі жарық күшін реттегіш қосқыш сияқты қарастыруға болады, ол жауаптың қарқындылығын реттейді. Мысалы, GABAA рецепторында нейротрансмиттер гамма-аминомаслян қышқылы (GABA) байланысатын екі белсенді орын бар, сонымен қатар бензодиазепин мен жалпы анестезиялық заттардың реттеуші байланыс орындары да бар. Бұл реттеуші орындардың әрқайсысы GABA-ның белсенділігін күшейтіп, оң алостерикалық модуляцияны тудыра алады. Диазепам бензодиазепин реттеу орындасындағы оң алостерикалық модулятор болып табылады, ал оның қарсы дәрісі флумазенил рецептор антагонисті болып табылады. Алостерикалық модуляция арқылы өз мақсаттарына әсер ететін дәрілердің жаңа мысалдарына кальцийді имитациялайтын цинакальцет және ВИЧ-қа қарсы ем маравирок жатады.
Аллостерикалық жерлер есірткі нысанасы
Аллостерикалық белоктар көптеген ауруларға қатысты және олардың орталық бөлігін құрайды, ал аллостерикалық сайттар жаңа дәрілік нысана болуы мүмкін. Аллостериялық модуляторларды классикалық ортостериялық лигандтарға қарағанда артықшылықты терапиялық заттар ретінде қолданудың бірнеше пайдасы бар. Мысалы, G протеинімен байланысқан рецептордың (GPCR) аллостерикалық байланыс орындары эндогенді лигандты қабылдау үшін ортостерикалық орындарға қарағанда эволюциялық қысымға аз ұшыраған, сондықтан олар көбірек әртүрлі. Осылайша, аллостерикалық сайттарды нысаналау арқылы GPCR-дің жоғары таңдамалылығына қол жеткізуге болады. Сонымен қатар, бұл модуляторлардың уытты әсер ету ықтималдығы төмен, себебі шектеулі кооперативтілікке ие модуляторлардың әсерінің деңгейі берілген дозаға қарамастан шектеулі болады.
Синтетикалық аллостерикалық жүйелер
Бірнеше ковалентті емес байланыс орындарын қамтитын көптеген синтетикалық қосылыстар бар, олар бір орынға толып қалғанда конформациялық өзгерістерге ұшырайды. Мұндай супермолекулалық жүйелерде жеке байланыс үлестері арасындағы кооперативтілік, егер бір байланыс орнының толтылуы екінші орындағы ΔG аффиндігін арттырса, оң, ал аффиндік артылмаса, теріс болады. Көптеген синтетикалық аллостериялық кешендер бір эффектті лигандты байланыстыру кезінде конформациялық қайта ұйымдастыруға сүйенеді, бұл екінші лигандтың басқа байланыс орнында күшейтілген немесе әлсіретілген қауымдастығына алып келеді. Бірнеше байланыс орындары арасындағы конформациялық байланыс жасанды жүйелерде, әдетте, олардың жоғары икемділігімен белгілі ақуыздарға қарағанда әлдеқайда үлкен болады. Тиімділікті анықтайтын параметр (тепе-теңдік константаларының қатынасымен өлшенген Krel = KA(E)/KA, эффект E бар және жоқ кезде) – А лигандының байланысуы үшін жабық немесе кернеулі конформацияны қабылдауға қажетті конформациялық энергия. Көптеген көпвалентті супермолекулалық жүйелерде байланысқан лигандтар арасында тікелей өзара әрекеттесулер болуы мүмкін, бұл үлкен кооперативтілікке әкелуі мүмкін. Ең көп кездесетіні – ион жұптарының рецепторларындағы иондар арасындағы тікелей өзара әрекеттесу. Бұл кооперативтілік көбінесе аллостерия деп аталады, тіпті конформациялық өзгерістер міндетті түрде байланыс процесін тудырмаса да.
Аллостерлік деректер қоры
Аллостерия – биологиялық макромолекулалардың функциясын реттеудің тікелей және тиімді тәсілі, ол лигандтың ортостериялық орыннан топографиялық тұрғыдан ерекшеленетін аллостериялық орынға байланысуы арқылы жүзеге асады. Рецепторлардың жоғары таңдаулылығы және мақсатты уыттылығының төмен болуына байланысты, аллостериялық реттеу дәрі-дәрмектерді іздеу және биоинженерия салаларында маңызды рөл атқарады деп күтілуде. Аллостериялық деректер базасы (АДБ) аллостериялық молекулалардың құрылымын, функциясын және олармен байланысты мәліметтерді көрсету, іздеу және талдау үшін орталық ресурс қызметін атқарады. Қазіргі уақытта АДБ-да 100-ден астам түрге тән аллостериялық ақуыздар және үш санаттағы модуляторлар (активаторлар, ингибиторлар және регуляторлар) бар. Әрбір ақуыз аллостерия, биологиялық процестер және байланысты аурулар туралы толық сипаттамамен, ал әрбір модулятор байланысу туыстығы, физико-химиялық қасиеттері және терапиялық саласымен сипатталған. АДБ-дағы аллостериялық ақуыздар туралы ақпаратты интеграциялау белгісіз ақуыздар үшін аллостерияны болжауға, содан кейін тәжірибелік растау жүргізуге мүмкіндік береді. Бұдан өзге, АДБ-да жинақталған модуляторлар сұраныс қосылысы үшін потенциалды аллостериялық нысаналарды зерттеуге қолданылуы мүмкін және химиктерге жаңа аллостериялық дәрілерді жобалау үшін құрылымдық өзгерістер енгізуге көмектесе алады.
Алостерикалық қалдықтар және олардың болжамы
Алостерикалық реттеуде барлық ақуыз қалдықтары бірдей маңызды рөл атқара бермейді. Аллостерия үшін маңызды қалдықтарды анықтау (сонымен аталған "аллостерикалық қалдықтар") көптеген зерттеулердің назарында болды, әсіресе соңғы он жылда. Бұл өсіп келе жатқан қызығушылықтың бір бөлігі олардың протеиндер ғылымындағы жалпы маңыздылығымен, сондай-ақ аллостерикалық қалдықтарды биомедициналық контексте пайдалану мүмкіндігімен байланысты. Фармакологиялық тұрғыдан маңызды, нысанаға алу қиын белоктар, негізгі мақсатты сайтты аллостерикалық түрде реттеуге қабілетті, қол жеткізу оңайырақ қалдықтарды бағыттап алу арқылы жеңілуі мүмкін. Бұл қалдықтарды жалпы алғанда, беткі және ішкі аллостерикалық аминқышқылдары деп жіктеуге болады. Беткі аллостерикалық сайттар әдетте ішкі сайттардан түбегейлі өзгеше реттеуші рөлдерді атқарады; беткі қалдықтар аллостерикалық сигналдарды беруде рецепторлар немесе эффекттік сайттар ретінде қызмет ете алады, ал ішкі қалдықтар мұндай сигналдарды таратуға қатысады.