20.4. Az allosztérikus szabályozás alapelve, és fő előnyei

Ez az elektronikus tankönyv több helyen is foglalkozik az allosztéria jelenségével (részletesen lásd a 17.2. fejezetben), amelynek során egy ligandum (vagy szubsztrát) kötődése a fehérje konformációs állapotának változása révén befolyásolja más ligandumok kötődését (vagy szubsztrát átalakítását).

A hemoglobin kémiai reakciót nem katalizál, tehát nem enzim, de működése többrétűen, kifinomultan, allosztérikusan szabályozott. A hemoglobinnal foglalkozó 7.11. fejezetben a szabályozásáról leírtak az alloszterikusan szabályozott enzimekre is vonatkoznak.

A legtöbb allosztérikus enzim a hemoglobinhoz hasonlóan több alegységes. Amikor egy több alegységes fehérjében egy ligandumnak több kötőhelye is van, lehetőség nyílik arra, hogy ezek a kötőhelyek együttműködjenek, kooperáljanak egymással. (Természetesen léteznek olyan több kötőhelyes fehérjék is, amelyek ligandum kötőhelyei egymástól függetlenül funkcionálnak). Az együttműködés lényege, hogy az egyes, azonos felépítésű ligandum molekulák kölcsönösen befolyásolják egymás kötődését. Ekkor homotróp szabályozásról, kooperativitásról beszélünk.

A hemoglobinnál például az első oxigénmolekulák kötődése elősegíti, hogy a hemoglobin többi kötőhelyére is oxigén lépjen be. Ennek eredményeként a hemoglobin oxigéntelítésének függése az oxigén parciális nyomásától nem derékszögű hiperbola függvényt követ, hanem szigmoidális görbével jellemezhető.

Ugyanígy, a több alegységes enzimek esetében, ha az egyes aktívhelyek segítik egymást, a reakciósebesség, vagyis az ES komplex kialakulása, más szóval az enzim telítése a szubsztrát koncentráció függvényében szigmoid görbét ad (lásd korábban a 17.4. ábra).

A szigmoid görbe funkcionális szempontból abban tér el egy egyszerű telítési görbétől, hogy egy kitüntetett régióban (a féltelítés környékén) erősebben függ a telítés értéke a szubsztrát koncentrációtól. Mivel egy egyszerű ligandummal szemben a szubsztrát átalakul, enzimeknél a kooperativitás elősegíti a szubsztrát koncentráció állandóan tartását. Egy bizonyos koncentráció értékig a szubsztrát alacsony ütemben alakul át, ha azonban a koncentrációja egy kritikus értéket túllép, az általa szabályozott enzim telítettségének mértéke és/vagy aktivitása hirtelen emelkedni kezd (lásd 20.5. ábra).

20.5. ábra: Az allosztéria pozitív homotróp szabályozási típusa erőteljesebbé teszi a kezdeti sebesség szubsztrát-koncentráció függését a fél-maximális sebességhez tartozó szubsztrát-koncentráció környékén

20.5. ábra: Az allosztéria pozitív homotróp szabályozási típusa erőteljesebbé teszi a kezdeti sebesség szubsztrát-koncentráció függését a fél-maximális sebességhez tartozó szubsztrát-koncentráció környékén

A homotróp hatástól eltérően heterotróp hatásról, illetve heterotróp modulátorról akkor beszélünk, amikor egy, a szubsztráttól eltérő molekula kötődik reverzibilisen az enzim aktívhelyétől eltérő részéhez úgy, hogy ezáltal megváltoztatja az enzim konformációját, és ezen keresztül az aktivitását.

Korábban leírtuk (lásd 17.2. fejezet), hogy az allosztérikus fehérjéket leíró modellek két szerkezeti állapotot feltételeznek, amit R és T betűvel jelöltünk. A modulátor vagy az aktívabb R formát stabilizálja, és akkor heterotróp allosztérikus aktivátor, vagy a kevésbé aktív T formát stabilizálja, és akkor heterotróp allosztérikus inhibitor (lásd 20.6. ábra).

20.6. ábra: Egy allosztérikus enzim szabályozása heterotróp allosztérikus aktivátorral, illetve inhibitorral

20.6. ábra: Egy allosztérikus enzim szabályozása heterotróp allosztérikus aktivátorral, illetve inhibitorral

A 20.6. ábra mutatja, a heterotróp aktivátor az R-forma, az inhibitor a T forma felé tolja el az egyensúlyt.

A hemoglobin esetében látott BPG egy tipikus heterotróp allosztérikus modulátorként csökkentette a hemoglobin oxigénkötő affinitását.

A heterotróp modulátorok (effektorok) szerkezete egyáltalán nem kell, hogy hasonlítson a szubsztrát, illetve termék szerkezetéhez (lásd 20.7. ábra). Valójában ennek köszönhető, hogy az allosztérikusan szabályozott enzimek az anyagcsere utak fő regulátorai.

20.7. ábra: A heterotróp allosztérikus regulátorok összetett folyamatszabályozásokat tesznek lehetővé

20.7. ábra: A heterotróp allosztérikus regulátorok összetett folyamatszabályozásokat tesznek lehetővé

A 20.7. ábra felső blokkjában egy lineáris anyagcsere utat látunk. Ez az útvonal egy A kiindulási anyagból 4 enzimkatalizált lépésben egy E terméket képez. Az E termék egyéb utakon felhasználásra kerül. Ha az E termék koncentrációja egy bizonyos értéket meghalad, az jelzi, hogy kisebb ütemben használódik fel, mint ahogyan keletkezik. A homeosztázis fennmaradásához a keletkezés ütemét tehát vissza kell fogni.

Az ábra azt mutatja, hogy az E termék a reakciósor első enzimatikus lépését gátolja azáltal, hogy az azt katalizáló enzim negatív allosztérikus modulátora. Mivel az E termék koncentrációjának az emelkedése maga a jel arra, hogy az útvonal túlműködik, rendkívül ökonomikus megoldás az, hogy maga az E termék legyen a szabályozó molekula. Ahogy az E koncentrációja emelkedik, úgy tudja telíteni az általa szabályozott enzim E-kötőhelyét.

Vegyük észre, hogy az is egy rendkívül gazdaságos megoldás, hogy az E termék éppen az első enzimatikus lépést gátolja. Ezáltal nemcsak az E termék nem keletkezik feleslegesen, de mindazon intermedierek sem, amiken keresztül az E termék kialakulna.

Az allosztérikus szabályozást az teszi univerzálissá, és rendkívül rugalmassá, hogy az E és az A molekuláknak egyáltalán nem kell hasonlítaniuk ahhoz, hogy ez a szabályozás létrejöhessen. A szabályozó E molekula ugyanis nem az A molekulát felismerő szubsztrát kötőhelyhez köt.

Ez a szabályozás egy allosztérikus termékgátláson keresztül megvalósuló negatív visszacsatolás (feedbackgátlás).

A 20.7. ábra második blokkja, egy komplexebb esetet illusztrál. Ebben a példában az A-ból kiinduló anyagcsereút kétféle végtermékhez (F és I) vezet, mivel a C molekulánál elágazik. Egy ilyen szerkezetű anyagcsere útvonalnál a leghatékonyabb szabályozási megoldás az, amikor az F és az I molekulák gátolják a kizárólag a saját keletkezésükhöz vezető, tehát az elágazás utáni szakasz első lépését, miközben aktiválják az elágazás utáni másik útvonal első lépését.

Ha tehát az F termék koncentrációja emelkedik, akkor csökkenti a saját keletkezésének ütemét, miközben növeli a másik termék keletkezésének az ütemét, és mindez reciprok módon fordított relációban is igaz.