Введение
Регулирование активности фермента
В биохимии аллостерическая регуляция (или аллостерический контроль) – это регуляция фермента посредством связывания эффекторной молекулы в участке, отличном от активного центра фермента. Участок, к которому связывается эффектор, называется аллостерическим участком или регуляторным участком. Аллостерические участки позволяют эффекторам связываться с белком, что часто приводит к конформационным изменениям и/или изменению динамики белка. Эффекторы, усиливающие активность белка, называются аллостерическими активаторами, а те, которые снижают активность белка, – аллостерическими ингибиторами. Аллостерическая регуляция является естественным примером контуров управления, таких как обратная связь от продуктов, образующихся ниже по потоку, или прямой сигнал от субстратов, находящихся выше по потоку. Дальнодействующая аллостерия особенно важна в клеточной сигнализации. Аллостерическая регуляция также играет важную роль в способности клетки регулировать активность ферментов. Термин «аллостерия» происходит от древнегреческих слов allos – «другой» и stereos – «твёрдый (объект)». Это отражает тот факт, что регуляторный участок аллостерического белка физически отличается от его активного центра. Аллостерия противопоставляется презентации субстрата, которая не требует изменения конформации для активации фермента.
Модели
Многие аллостерические эффекты могут быть объяснены согласованной моделью MWC, предложенной Монодом, Уайманом и Чанжё, или последовательной моделью (также известной как модель KNF), описанной Кошландом, Немети и Филмером. Обе модели постулируют, что белковые субъединицы существуют в одной из двух конформаций – напряженной (T) или расслабленной (R), при этом расслабленные субъединицы связывают субстрат легче, чем находящиеся в напряженном состоянии. Основное различие между этими двумя моделями заключается в их предположениях о взаимодействии субъединиц и о предсуществовании обоих состояний. Для белков, в которых субъединицы существуют более чем в двух конформациях, можно использовать модель аллостерического ландшафта, описанную Куендетом, Вайнштейном и Левайном. Аллостерическая регуляция может облегчаться эволюцией масштабных, низкоэнергетических конформационных изменений, обеспечивающих взаимодействие на дальние расстояния между отдаленными участками связывания.
Концертированная модель
Согласованная модель аллостерии, также известная как модель симметрии или модель MWC, постулирует, что субъединицы фермента связаны таким образом, что конформационное изменение в одной субъединице неизбежно передается всем остальным субъединицам. Таким образом, все субъединицы должны находиться в одной и той же конформации. Модель также утверждает, что в отсутствие какого-либо лиганда (субстрата или другого соединения) равновесие смещено в сторону одного из конформационных состояний – T или R. Связывание одного лиганда (аллостерического эффектора или лиганда) с участком, отличным от активного центра, может сдвинуть равновесие в состояние R или T.
Модель морфеина
Морфеиновая модель аллостерической регуляции представляет собой диссоциативную согласованную модель. Морфеин – это гомоолигомерная структура, которая может существовать в виде ансамбля физиологически значимых и функционально различных альтернативных кватернарных состояний. Переходы между альтернативными состояниями морфеина включают диссоциацию олигомера, конформационные изменения в диссоциированном состоянии и повторную сборку в другой олигомер. Необходимый этап распада олигомера отличает морфеиновую модель аллостерической регуляции от классических моделей MWC и KNF. Порфобилиногенсинтаза (ПБГС) является прототипом морфеина.
Комплексные модели
Комплексные модели аллостерической регуляции описывают статистический ансамбль аллостерической системы как функцию ее потенциальной энергии, а затем сопоставляют конкретные статистические характеристики аллостерии с конкретными членами энергетической функции (например, межмолекулярную солевую связь между двумя доменами). Ансамблевые модели, такие как ансамблевая аллостерическая модель и аллостерическая модель Изинга, предполагают, что каждый домен системы может находиться в одном из двух состояний, подобно модели MWC. Модель аллостерического ландшафта, предложенная Куендетом, Вайнштейном и Левайном, учитывает, что в биологической системе аллостерическую модуляцию бывает сложно отличить от модуляции, вызванной представлением субстрата.
Модель энергосчета
Примером этой модели является Mycobacterium tuberculosis, бактерия, которая прекрасно приспособлена к жизни в макрофагах человека. Участки фермента обеспечивают взаимодействие между различными субстратами, в частности, между AMP и G6P. Такие участки также служат механизмом контроля работы фермента.
Положительная модуляция
Положительная аллостерическая модуляция (также известная как аллостерическая активация) происходит, когда связывание одного лиганда усиливает взаимодействие между молекулами субстрата и другими участками связывания. Примером является связывание молекул кислорода с гемоглобином, где кислород выступает одновременно и субстратом, и эффектором. Аллостерический, или "другой", сайт находится в активном центре соседней белковой субъединицы. Связывание кислорода с одной субъединицей индуцирует конформационное изменение в этой субъединице, которое взаимодействует с оставшимися активными центрами, повышая их сродство к кислороду. Другой пример аллостерической активации наблюдается в цитозольной IMP GMP-специфической 5'-нуклеотидазе II (cN II), где сродство к субстрату GMP возрастает при связывании GTP в области димерного интерфейса.
Отрицательная модуляция
Отрицательная аллостерическая модуляция (также известная как аллостерическое ингибирование) возникает, когда связывание одного лиганда уменьшает аффинность к субстрату в других активных центрах. Например, когда 2,3-бисфосфоглицерат (2,3 BPG) связывается с аллостерическим участком гемоглобина, аффинность ко всем субъединицам к кислороду снижается. Это происходит, когда регулятор отсутствует в связывающем центре. Прямые ингибиторы тромбина представляют собой отличный пример отрицательной аллостерической модуляции. Были обнаружены аллостерические ингибиторы тромбина, которые потенциально могут использоваться в качестве антикоагулянтов. Другой пример – стрихнин, конвульсивный яд, который действует как аллостерический ингибитор рецептора глицина. Глицин является основным постсинаптическим ингибирующим нейромедиатором в спинном мозге и стволе мозга млекопитающих. Стрихнин действует на отдельное связывающее место рецептора глицина аллостерическим образом, то есть его связывание снижает аффинность рецептора глицина к глицину. Таким образом, стрихнин подавляет действие ингибирующего нейромедиатора, что приводит к судорогам. Еще один пример отрицательной аллостерической модуляции наблюдается между АТФ и ферментом фосфофруктокиназой в рамках петли отрицательной обратной связи, регулирующей гликолиз. Фосфофруктокиназа (обычно обозначаемая как PFK) – это фермент, катализирующий третий этап гликолиза: фосфорилирование фруктозо-6-фосфата в фруктозо-1,6-бисфосфат. PFK может аллостерически ингибироваться высокими уровнями АТФ в клетке. Когда уровень АТФ высок, АТФ связывается с аллостерическим участком фосфофруктокиназы, вызывая изменение трехмерной конформации фермента. Это изменение приводит к снижению аффинности фермента к субстрату (фруктозо-6-фосфату и АТФ) в активном центре, и фермент становится неактивным. Это приводит к прекращению гликолиза при высоком уровне АТФ, тем самым сохраняя глюкозу в организме и поддерживая сбалансированный уровень клеточного АТФ. Таким образом, АТФ служит отрицательным аллостерическим модулятором PFK, несмотря на то, что он также является субстратом этого фермента.
Гомотропные
Гомотропный аллостерический модулятор является субстратом для своего белка-мишени и одновременно регуляторной молекулой активности этого белка. Обычно он выступает в роли активатора белка. Например, O2 и CO являются гомотропными аллостерическими модуляторами гемоглобина. Подобным образом, в IMP/GMP-специфической 5'-нуклеотидазе связывание одной молекулы GMP с одной субъединицей тетрамерного фермента приводит к увеличению аффинности последующих субъединиц к GMP, что проявляется в сигмоидальных кривых зависимости скорости реакции от концентрации субстрата. Вновь, в IMP/GMP-специфической 5'-нуклеотидазе связывание молекулы GTP в области димерного интерфейса тетрамерного фермента приводит к увеличению аффинности к субстрату GMP в активном центре, что свидетельствует о гетеротропной аллостерической активации K-типа.
Нерегулируемая аллостерия
Нерегулирующим аллостерическим участком является любой нерегулирующий компонент фермента (или любого белка), который не является аминокислотой. Например, для обеспечения правильной функции многим ферментам требуется связывание ионов натрия. Однако натрий не обязательно действует как регуляторное подразделние; натрий всегда присутствует, и неизвестно биологических процессов, которые бы добавляли или удаляли натрий для регулирования активности фермента. Нерегулирующая аллостерия может включать любые другие ионы, помимо натрия (кальций, магний, цинк), а также другие химические вещества и, возможно, витамины.
Фармакология
Аллостерическая модуляция рецептора возникает в результате связывания аллостерических модуляторов в участке, отличном от участка связывания эндогенного лиганда ("активного места") – так называемом "регуляторном месте", – и усиливает или ингибирует действие эндогенного лиганда. В обычных условиях это происходит за счет индуцирования конформационного изменения в молекуле рецептора, что приводит к изменению аффинности связывания лиганда. Таким образом, аллостерический лиганд модулирует активацию рецептора его основным ортостерическим лигандом, и его действие можно сравнить с работой диммера в электрической цепи, регулирующего интенсивность ответа. Например, рецептор ГАМК-А имеет два активных участка, к которым связывается нейромедиатор гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), а также регуляторные участки связывания бензодиазепинов и общих анестетиков. Эти регуляторные участки способны вызывать положительную аллостерическую модуляцию, потенцируя активность ГАМК. Диазепам является положительным аллостерическим модулятором в регуляторном участке бензодиазепинов, а его антидот флумазенил – антагонистом рецептора. К более новым примерам препаратов, аллостерически модулирующих свои мишени, относятся цинакальцет, имитирующий действие кальция, и маравирок, применяемый для лечения ВИЧ.
Аллостерические участки как цели наркотиков
Аллостерические белки вовлечены и играют центральную роль во многих заболеваниях, а аллостерические участки могут представлять собой новую мишень для лекарственных препаратов. Существует ряд преимуществ использования аллостерических модуляторов в качестве предпочтительных терапевтических средств по сравнению с классическими ортостерическими лигандами. Например, аллостерические сайты связывания рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCR), не подвергались такому же эволюционному давлению, как ортостерические сайты, чтобы приспособиться к эндогенному лиганду, поэтому они более разнообразны. Следовательно, более высокая селективность GPCR может быть достигнута путем воздействия на аллостерические сайты. Кроме того, эти модуляторы обладают сниженным потенциалом токсического воздействия, поскольку модуляторы с ограниченным кооперативным взаимодействием имеют потолок эффективности, независимо от введенной дозы.
Синтетические аллостерические системы
Существует множество синтетических соединений, содержащих несколько нековалентных центров связывания, которые демонстрируют конформационные изменения при занятии одного из них. Кооперативность между отдельными вкладами в связывание в таких супрамолекулярных системах является положительной, если занятие одного центра связывания увеличивает аффинность ΔG во втором центре, и отрицательной, если аффинность не возрастает. Большинство синтетических аллостерических комплексов основаны на конформационной реорганизации при связывании одного лиганда-эффектора, что затем приводит к усилению или ослаблению ассоциации второго лиганда в другом центре связывания. Конформационная связь между несколькими центрами связывания в искусственных системах обычно значительно больше, чем в белках, обладающих большей гибкостью. Параметром, определяющим эффективность (измеряемую отношением равновесных констант Krel = KA(E) / KA в присутствии и отсутствии эффектора E), является конформационная энергия, необходимая для принятия замкнутой или напряженной конформации для связывания лиганда A. Во многих поливалентных супрамолекулярных системах возможно прямое взаимодействие между связанными лигандами, что может приводить к значительной кооперативности. Наиболее часто такое прямое взаимодействие наблюдается между ионами в рецепторах для ионных пар. Эта кооперативность часто также называется аллостерией, хотя конформационные изменения здесь не обязательно инициируют события связывания.
Аллостерная база данных
Аллостерия – это прямой и эффективный способ регуляции функции биологических макромолекул, возникающий в результате связывания лиганда в аллостерическом участке, топографически отличном от ортостерического. Благодаря часто высокой селективности рецепторов и относительно низкой токсичности, обусловленной воздействием на мишень, аллостерическая регуляция, как ожидается, будет играть все более важную роль в разработке лекарств и биоинженерии. База данных аллостерических молекул (ASD) предоставляет централизованный ресурс для представления, поиска и анализа структуры, функции и сопутствующей аннотации аллостерических молекул. В настоящее время ASD содержит аллостерические белки более чем 100 видов и модуляторы, отнесенные к трем категориям (активаторы, ингибиторы и регуляторы). Каждый белок снабжен подробным описанием аллостерии, биологического процесса и связанных с ним заболеваний, а каждый модулятор – информацией об аффинности связывания, физико-химических свойствах и терапевтической области. Интеграция информации об аллостерических белках, содержащейся в ASD, позволит предсказывать аллостерию для неизвестных белков с последующей экспериментальной проверкой. Кроме того, модуляторы, собранные в ASD, могут быть использованы для выявления потенциальных аллостерических мишеней для исследуемого соединения и помогут химикам вносить структурные модификации для создания новых аллостерических лекарственных препаратов.
Аллостерические остатки и их прогнозирование
Не все аминокислотные остатки играют одинаково важную роль в аллостерической регуляции. Выявление остатков, необходимых для аллостерии (так называемые "аллостерические остатки") стало предметом многочисленных исследований, особенно в последнее десятилетие. Этот растущий интерес обусловлен как их общей значимостью в протеомике, так и возможностью использования аллостерических остатков в биомедицинских целях. Фармакологически важные белки с труднодоступными участками могут стать объектом терапевтических стратегий, направленных на более доступные остатки, способные аллостерически регулировать основной участок действия. Эти остатки можно условно разделить на поверхностные и внутренние аллостерические аминокислоты. Аллостерические участки, расположенные на поверхности, обычно выполняют регуляторные функции, принципиально отличающиеся от функций внутренних участков; поверхностные остатки могут выступать в качестве рецепторов или эффекторов при передаче аллостерического сигнала, в то время как внутренние остатки могут участвовать в передаче этих сигналов.