Кооперативная привязка

Молекулярное связывание - это взаимодействие между молекулами, которое приводит к устойчивой физической ассоциации между этими молекулами. Кооперативное связывание происходит в системах связывания, содержащих более одного типа или разновидностей молекул, в которых один из партнеров не является одновалентным и может связывать более одной молекулы другого вида.

Например, рассмотрим систему, в которой одна молекула вида A может связываться с молекулами вида B. Вид A называется рецептором, а вид B - лигандом. Связывание можно считать «кооперативным», если связывание первой молекулы B с A изменяет сродство связывания второй молекулы B, делая ее более или менее вероятной для связывания. Другими словами, связывание молекул B с разными сайтами на A не представляет собой взаимно независимых событий.

Сотрудничество может быть положительным или отрицательным. Кооперативное связывание наблюдается во многих биополимерах, включая белки и нуклеиновые кислоты . Было показано, что совместное связывание является механизмом, лежащим в основе большого диапазона биохимических и физиологических процессов.

История и математические формализмы [ править ]

Кристиан Бор и концепция кооперативного связывания [ править ]

В 1904 году Кристиан Бор изучал связывание гемоглобина с кислородом в различных условиях. ^{[1] [2]} При построении графика насыщения гемоглобина кислородом как функции парциального давления кислорода он получил сигмоидальную (или «S-образную») кривую. Это указывает на то, что чем больше кислорода связано с гемоглобином, тем легче связывать большее количество кислорода - до тех пор, пока все участки связывания не станут насыщенными. Кроме того, Бор заметил, что увеличение давления CO ₂ сдвигает эту кривую вправо - то есть более высокие концентрации CO ₂ затрудняют связывание кислорода гемоглобином. ^[2]Это последнее явление, вместе с наблюдением, что сродство гемоглобина к кислороду увеличивается с увеличением pH, известно как эффект Бора .

Оригинальный рисунок Кристиана Бора , показывающий сигмоидальное увеличение оксигемоглобина в зависимости от парциального давления кислорода.

Считается, что рецепторная молекула проявляет кооперативное связывание, если ее связывание с лигандом нелинейно масштабируется с концентрацией лиганда. Кооперативность может быть положительной (если связывание молекулы лиганда увеличивает кажущееся сродство рецептора и, следовательно, увеличивает вероятность связывания другой молекулы лиганда) или отрицательной (если связывание молекулы лиганда снижает сродство и, следовательно, делает связывание других молекул лиганда менее вероятным) . «Частичная занятость» рецептора данным лигандом определяется как количество связанных с лигандом сайтов связывания, деленное на общее количество сайтов связывания лиганда:${\ displaystyle {\ bar {Y}}}$

${\ displaystyle {\ bar {Y}} = {\ frac {[{\ text {связанные сайты}}]} {[{\ text {связанные сайты}}] + [{\ text {несвязанные сайты}}]}} = {\ frac {[{\ text {связанные сайты}}]} {[{\ text {всего сайтов}}]}}}$

Если , то белок полностью не связан, а если он полностью насыщен. Если график равновесной зависимости от концентрации лиганда имеет сигмоидальную форму, как наблюдал Бор для гемоглобина, это указывает на положительную кооперативность. Если это не так, то нельзя делать никаких заявлений о сотрудничестве, глядя только на этот участок.${\ displaystyle {\ bar {Y}} = 0}$${\ displaystyle {\ bar {Y}} = 1}$${\ displaystyle {\ bar {Y}}}$

Концепция кооперативного связывания применима только к молекулам или комплексам с более чем одним сайтом связывания лиганда. Если существует несколько сайтов связывания лиганда, но связывание лиганда с одним сайтом не влияет на другие, рецептор считается некооперативным. Кооперативность может быть гомотропной , если лиганд влияет на связывание лигандов того же типа, или гетеротропной , если она влияет на связывание других видов лигандов. В случае гемоглобина Бор наблюдал гомотропную положительную кооперативность (связывание кислорода облегчает связывание большего количества кислорода) и гетеротропную отрицательную кооперативность (связывание CO ₂ снижает способность гемоглобина связывать кислород).

На протяжении 20-го века были разработаны различные каркасы для описания связывания лиганда с белком с более чем одним сайтом связывания и кооперативных эффектов, наблюдаемых в этом контексте. ^[3]

Уравнение Хилла [ править ]

Первое описание кооперативного связывания с многосайтовым белком было разработано AV Hill . ^[4] Опираясь на наблюдения за связыванием кислорода с гемоглобином и идею о том, что кооперативность возникает из агрегации молекул гемоглобина, каждая из которых связывает одну молекулу кислорода, Хилл предложил феноменологическое уравнение, которое с тех пор было названо в его честь :

График Хилла уравнения Хилла красным цветом, показывающий наклон кривой, являющийся коэффициентом Хилла, и пересечение с осью x, обеспечивающее кажущуюся константу диссоциации. Зеленая линия показывает кривую отсутствия взаимодействия.

${\ displaystyle {\ bar {Y}} = {\ frac {K \ cdot {} [X] ^ {n}} {1 + K \ cdot {} [X] ^ {n}}} = {\ frac { [X] ^ {n}} {K ^ {*} + [X] ^ {n}}} = {\ frac {[X] ^ {n}} {K_ {d} ^ {n} + [X] ^ {n}}}}$

где - «коэффициент Хилла», обозначает концентрацию лиганда, обозначает кажущуюся константу ассоциации (используется в исходной форме уравнения), является эмпирической константой диссоциации и микроскопической константой диссоциации (используется в современных формах уравнения и эквивалентных к ан ). Если , система демонстрирует отрицательную кооперативность, тогда как кооперативность положительна, если . Общее количество сайтов связывания лиганда является верхней границей . Уравнение Хилла можно линеаризовать как:${\ displaystyle n}$${\ displaystyle [X]}$${\ displaystyle K}$${\ displaystyle K ^ {*}}$${\ displaystyle K_ {d}}$${\displaystyle \mathrm {EC} _{50}}$${\displaystyle n<1}$${\displaystyle n>1}$${\displaystyle n}$

${\displaystyle \log {\frac {\bar {Y}}{1-{\bar {Y}}}}=n\cdot {}\log[X]-n\cdot {}\log K_{d}}$

«График Хилла» получен путем построения графика против . В случае уравнения Хилла это линия с наклоном и пересечением . Это означает, что кооперативность предполагается фиксированной, т. Е. Она не изменяется при насыщении. Это также означает, что сайты связывания всегда проявляют одно и то же сродство, и кооперативность не возникает из-за сродства, возрастающего с концентрацией лиганда.${\displaystyle \log {\frac {\bar {Y}}{1-{\bar {Y}}}}}$${\displaystyle \log[X]}$${\displaystyle n_{H}}$${\displaystyle \log(K_{d})}$

Уравнение Адаира [ править ]

GS Adair обнаружил, что график Хилла для гемоглобина не является прямой линией, и выдвинул гипотезу, что сродство связывания не является фиксированным сроком, а зависит от насыщения лиганда. ^[5] Продемонстрировав, что гемоглобин содержит четыре гема (и, следовательно, места связывания кислорода), он исходил из предположения, что полностью насыщенный гемоглобин образуется поэтапно с промежуточными формами с одной, двумя или тремя связанными молекулами кислорода. Формирование каждой промежуточной стадии из несвязанного гемоглобина можно описать с помощью очевидной макроскопической константы ассоциации . Результирующая фракционная занятость может быть выражена как:${\displaystyle K_{i}}$

${\displaystyle {\bar {Y}}={\frac {1}{4}}\cdot {}{\frac {K_{I}[X]+2K_{II}[X]^{2}+3K_{III}[X]^{3}+4K_{IV}[X]^{4}}{1+K_{I}[X]+K_{II}[X]^{2}+K_{III}[X]^{3}+K_{IV}[X]^{4}}}}$

Или для любого белка с n сайтами связывания лиганда:

${\displaystyle {\bar {Y}}={\frac {1}{n}}{\frac {K_{I}[X]+2K_{II}[X]^{2}+\ldots +nK_{n}[X]^{n}}{1+K_{I}[X]+K_{II}[X]^{2}+\ldots +K_{n}[X]^{n}}}}$

где n обозначает количество сайтов связывания, и каждый представляет собой объединенную константу ассоциации, описывающую связывание молекул лиганда i . Комбинируя метод Адаира с сюжетом Хилла, можно прийти к современному экспериментальному определению кооперативности (Hill, 1985, Abeliovich, 2005). Результирующий коэффициент Хилла, или, вернее, наклон графика Хилла, рассчитанный по уравнению Адаира, можно показать как отношение между дисперсией числа привязки к дисперсии числа привязки в эквивалентной системе невзаимодействующих участок связывания. ^[6] Таким образом, коэффициент Хилла определяет кооперативность как статистическую зависимость одного сайта связывания от состояния другого сайта (ов).${\displaystyle K_{i}}$

Уравнение Клотца [ править ]

Работая над кальций-связывающими белками, Ирвинг Клотц деконволюционировал константы ассоциации Адаира, рассматривая ступенчатое образование промежуточных стадий, и попытался выразить кооперативное связывание в терминах элементарных процессов, управляемых законом действия масс. ^{[7] [8]} В его рамках это константа ассоциации, управляющая связыванием первой молекулы лиганда, константа ассоциации, управляющая связыванием второй молекулы лиганда (когда первая уже связана) и т. Д. Ибо это дает:${\displaystyle K_{1}}$${\displaystyle K_{2}}$${\displaystyle {\bar {Y}}}$

${\displaystyle {\bar {Y}}={\frac {1}{n}}{\frac {K_{1}[X]+2K_{1}K_{2}[X]^{2}+\ldots +n\left(K_{1}K_{2}\ldots K_{n}\right)[X]^{n}}{1+K_{1}[X]+K_{1}K_{2}[X]^{2}+\ldots +\left(K_{1}K_{2}\ldots K_{n}\right)[X]^{n}}}}$

Стоит отметить , что постоянные , и так далее , не связаны с отдельными сайтами связывания. Они описывают, сколько сайтов связывания занято, а не какие . Эта форма имеет то преимущество, что кооперативность легко распознается при рассмотрении констант ассоциации. Если все сайты связывания лиганда идентичны с микроскопической константой ассоциации , можно было бы ожидать (то есть ) в отсутствии кооперативности. У нас есть положительная кооперативность, если она превышает эти ожидаемые значения .${\displaystyle K_{1}}$${\displaystyle K_{2}}$${\displaystyle K}$${\displaystyle K_{1}=nK,K_{2}={\frac {n-1}{2}}K,\ldots K_{n}={\frac {1}{n}}K}$${\displaystyle K_{i}={\frac {n-i+1}{i}}K}$${\displaystyle K_{i}}$${\displaystyle i>1}$

Уравнение Клотца (которое иногда также называют уравнением Адаира-Клотца) до сих пор часто используется в экспериментальной литературе для описания измерений связывания лиганда с точки зрения последовательных кажущихся констант связывания. ^[9]

Уравнение Полинга [ править ]

К середине 20 века возрос интерес к моделям, которые не только феноменологически описывали кривые связывания, но и предлагали лежащий в основе биохимический механизм. Линус Полинг переосмыслил уравнение, предоставленное Адэром, предположив, что его константы представляют собой комбинацию константы связывания лиганда ( в уравнении ниже) и энергии, возникающей в результате взаимодействия между субъединицами кооперативного белка ( ниже). ^[10]${\displaystyle K}$${\displaystyle \alpha }$Полинг фактически вывел несколько уравнений в зависимости от степени взаимодействия между субъединицами. Основываясь на неверных предположениях о локализации гемов, он выбрал неправильный вариант для описания связывания кислорода гемоглобином, предполагая, что субъединица расположены в квадрате. Приведенное ниже уравнение представляет собой уравнение тетраэдрической структуры, которое было бы более точным в случае гемоглобина:

${\displaystyle {\bar {Y}}={\frac {K[X]+3\alpha {}K^{2}[X]^{2}+3\alpha {}^{3}K^{3}[X]^{3}+\alpha {}^{6}K^{4}[X]^{4}}{1+4K[X]+6\alpha {}K^{2}[X]^{2}+4\alpha {}^{3}K^{3}[X]^{3}+\alpha {}^{6}K^{4}[X]^{4}}}}$

Модель KNF [ править ]

Основываясь на результатах, показывающих, что структура кооперативных белков изменяется при связывании с их лигандом, Дэниел Кошланд и его коллеги ^[11] уточнили биохимическое объяснение механизма, описанного Полингом. ^[10] Модель Кошланда-Немети-Филмера (KNF) предполагает, что каждая субъединица может существовать в одной из двух конформаций: активной или неактивной. Связывание лиганда с одной субъединицей должно вызывать немедленное конформационное изменение этой субъединицы с неактивной на активную конформацию, механизм, описываемый как «индуцированная подгонка». ^[12]Кооперативность, согласно модели KNF, должна возникать из взаимодействий между субъединицами, сила которых варьируется в зависимости от относительных конформаций вовлеченных субъединиц. Для тетраэдрической структуры (они также рассматривали линейные и квадратные структуры) они предложили следующую формулу:

${\displaystyle {\bar {Y}}={\frac {K_{AB}^{3}(K_{X}K_{t}[X])+3K_{AB}^{4}K_{BB}(K_{X}K_{t}[X])^{2}+3K_{AB}^{3}K_{BB}^{3}(K_{X}K_{t}[X])^{3}+K_{BB}^{6}(K_{X}K_{t}[X])^{4}}{1+4K_{AB}^{3}(K_{X}K_{t}[X])+6K_{AB}^{4}K_{BB}(K_{X}K_{t}[X])^{2}+4K_{AB}^{3}K_{BB}^{3}(K_{X}K_{t}[X])^{3}+K_{BB}^{6}(K_{X}K_{t}[X])^{4}}}}$

Где - константа ассоциации для X, - это соотношение состояний B и A в отсутствие лиганда («переход»), и - относительная стабильность пар соседних субъединиц по отношению к паре, где обе субъединицы находятся в состоянии A. (Обратите внимание, что в документе KNF фактически указано количество занятых сайтов, которое здесь в 4 раза ).${\displaystyle K_{X}}$${\displaystyle K_{t}}$${\displaystyle K_{AB}}$${\displaystyle K_{BB}}$${\displaystyle N_{s}}$${\displaystyle {\bar {Y}}}$

Модель MWC [ править ]

Модель Monod-Wyman-Changeux (MWC) для согласованных аллостерических переходов ^[13]пошли еще дальше, исследуя кооперативность на основе термодинамики и трехмерных конформаций. Первоначально он был разработан для олигомерных белков с симметрично расположенными идентичными субъединицами, каждая из которых имеет один сайт связывания лиганда. Согласно этой структуре, два (или более) взаимопревращаемых конформационных состояния аллостерического белка сосуществуют в тепловом равновесии. Состояния - часто называемые напряженным (T) и расслабленным (R) - различаются по сродству к молекуле лиганда. Соотношение между двумя состояниями регулируется связыванием молекул лиганда, которое стабилизирует состояние с более высоким сродством. Важно отметить, что все субъединицы молекулы меняют состояния одновременно, это явление известно как «согласованный переход».

Аллостерическая константа изомеризации L описывает равновесие между обоими состояниями , когда ни молекула лиганда не связана: . Если L очень велико, большая часть белка находится в состоянии T в отсутствие лиганда. Если L мало (близко к единице), состояние R почти так же заполнено, как и состояние T. Отношение констант диссоциации лиганда из Т и R состояний описывается константой с : . Если оба состояния R и T имеют одинаковое сродство к лиганду, и лиганд не влияет на изомеризацию. Значение c также показывает, насколько изменяется равновесие между состояниями T и R при связывании лиганда: чем меньше c${\displaystyle L={\frac {\left[T_{0}\right]}{\left[R_{0}\right]}}}$${\displaystyle c={\frac {K_{d}^{R}}{K_{d}^{T}}}}$${\displaystyle c=1}$, тем больше равновесие смещается в сторону R-состояния после одного связывания. В случае частичная занятость описывается как:${\displaystyle \alpha ={\frac {[X]}{K_{d}^{R}}}}$

${\displaystyle {\bar {Y}}={\frac {\alpha (1+\alpha )^{n-1}+Lc\alpha (1+c\alpha )^{n-1}}{(1+\alpha )^{n}+L(1+c\alpha )^{n}}}}$

Сигмоидный график аллостерических белков Хилла может быть затем проанализирован как прогрессивный переход от состояния T (низкое сродство) к состоянию R (высокое сродство) по мере увеличения насыщения. Наклон графика Хилла также зависит от насыщенности с максимальным значением в точке перегиба. Пересечения между двумя асимптотами и осью y позволяют определить сродство обоих состояний к лиганду.

В белках конформационные изменения часто связаны с активностью или активностью по отношению к конкретным мишеням. Такая активность часто является физиологически значимой или экспериментально измеренной. Степень конформационного изменения описывается функцией состояния , которая обозначает долю белка, присутствующего в состоянии. Как показано на энергетической диаграмме, увеличивается по мере связывания большего количества молекул лиганда. Выражение для :${\displaystyle {\bar {R}}}$${\displaystyle R}$${\displaystyle {\bar {R}}}$${\displaystyle {\bar {R}}}$

${\displaystyle {\bar {R}}={\frac {(1+\alpha )^{n}}{(1+\alpha )^{n}+L(1+c\alpha )^{n}}}}$

Важным аспектом модели MWC является то, что кривые для и не совпадают ^[14], т.е. фракционное насыщение не является прямым индикатором конформационного состояния (и, следовательно, активности). Более того, степень кооперативности связывания и кооперативности активации может сильно различаться: крайний случай обеспечивается мотором жгутика бактерий с коэффициентом Хилла 1,7 для связывания и 10,3 для активации. ^{[15] [16]} Сверхлинейность отклика иногда называют сверхчувствительностью .${\displaystyle {\bar {Y}}}$${\displaystyle {\bar {R}}}$

Если аллостерический белок связывается с мишенью, которая также имеет более высокое сродство к R-состоянию, то связывание с мишенью дополнительно стабилизирует R-состояние, следовательно, увеличивает сродство к лиганду. Если, с другой стороны, мишень предпочтительно связывается с Т-состоянием, то связывание с мишенью будет иметь отрицательный эффект на сродство лиганда. Такие мишени называются аллостерическими модуляторами .

С момента своего создания структура MWC была расширена и обобщена. Были предложены варианты, например, для белков с более чем двумя состояниями ^[17], белков, которые связываются с несколькими типами лигандов ^{[18] [19]} или нескольких типов аллостерических модуляторов ^[19], и белков с неидентичными субъединицами. или сайты связывания лиганда. ^[20]

Примеры [ править ]

Список молекулярных ансамблей, которые демонстрируют кооперативное связывание лигандов, очень велик, но некоторые примеры особенно примечательны своим историческим интересом, необычными свойствами или их физиологическим значением.

Как описано в историческом разделе, наиболее известным примером кооперативного связывания является гемоглобин . Его четвертичная структура, решенная Максом Перуцем с использованием дифракции рентгеновских лучей, ^[21] демонстрирует псевдосимметричный тетраэдр, несущий четыре места связывания (гема) для кислорода. Многие другие молекулярные ансамбли, демонстрирующие кооперативное связывание, были изучены очень подробно.

Мультимерные ферменты [ править ]

Активность многих ферментов является регулируется с помощью аллостерических эффекторов. Некоторые из этих ферментов являются мультимерными и несут несколько сайтов связывания для регуляторов.

Треониндезаминаза была одним из первых ферментов, которые, как предполагалось, вели себя как гемоглобин ^[22], и было показано, что они совместно связывают лиганды. ^[23] Позже было показано, что это тетрамерный белок. ^[24]

Другой фермент, который, как предполагалось ранее, связывает лиганды кооперативно, - это аспартат-транс-карбамилаза . ^[25] Хотя первоначальные модели соответствовали четырем сайтам связывания, ^[26] позже Уильям Липскомб и его коллеги показали, что его структура гексамерная . ^[27]

Ионные каналы [ править ]

Большинство ионных каналов состоит из нескольких идентичных или псевдоидентичных мономеров или доменов, симметрично расположенных в биологических мембранах. Несколько классов таких каналов, открытие которых регулируется лигандами, демонстрируют кооперативное связывание этих лигандов.

Еще в 1967 году ^[28] (когда точная природа этих каналов была еще неизвестна) было высказано предположение, что никотиновые рецепторы ацетилхолина связывают ацетилхолин кооперативным образом из-за существования нескольких сайтов связывания. Очистка рецептора ^[29] и его характеристика продемонстрировали пентамерную структуру с сайтами связывания, расположенными на границах раздела между субъединицами, что подтверждается структурой домена связывания рецептора. ^[30]

Рецепторы инозитолтрифосфата (IP3) образуют другой класс лиганд-управляемых ионных каналов, демонстрирующих кооперативное связывание. ^[31] Структура этих рецепторов показывает четыре симметрично расположенных сайта связывания IP3. ^[32]

Многосайтовые молекулы [ править ]

Хотя большинство белков, демонстрирующих кооперативное связывание, представляют собой мультимерные комплексы гомологичных субъединиц, некоторые белки несут несколько сайтов связывания для одного и того же лиганда на одном и том же полипептиде. Одним из таких примеров является кальмодулин . Одна молекула кальмодулина кооперативно связывает четыре иона кальция. ^[33] Его структура состоит из четырех EF-доменов , ^[34] каждый из которых связывает один ион кальция. Молекула не имеет квадратной или тетраэдрической структуры, но состоит из двух долей, каждая из которых несет два EF-домена.

Факторы транскрипции [ править ]

Также было показано совместное связывание белков с нуклеиновыми кислотами. Классическим примером является связывание репрессора лямбда-фага с его операторами, которое происходит совместно. ^{[35] [36]} Другие примеры факторов транскрипции демонстрируют положительную кооперативность при связывании своей мишени, например репрессор насосов TtgABC ^[37] (n = 1,6), а также условную кооперативность, проявляемую факторами транскрипции HOXA11 и FOXO1 . ^[38]

Напротив, примеры отрицательной кооперативности для связывания факторов транскрипции также были задокументированы, как и для гомодимерного репрессора оперона цитохрома P450cam Pseudomonas putida ^[39] (n = 0,56).

Конформационное распространение и связующее сотрудничество [ править ]

Ранее утверждалось, что некоторые белки, особенно те, которые состоят из многих субъединиц, могут регулироваться с помощью обобщенного механизма MWC, в котором переход между состояниями R и T не обязательно синхронизируется по всему белку. ^[40] В 1969 году Вайман ^[41] предложил такую ​​модель со «смешанными конформациями» (т.е. некоторые протомеры в состоянии R, некоторые в состоянии T) для респираторных белков беспозвоночных.

Следуя аналогичной идее, модель конформационного распространения Duke и его коллег ^[42] включает как модель KNF, так и модель MWC как частные случаи. В этой модели субъединица не изменяет автоматически конформацию при связывании лиганда (как в модели KNF), а также не все субъединицы в сложном изменении конформации вместе (как в модели MWC). Конформационные изменения являются стохастическими с вероятностью переключения состояний субъединицы в зависимости от того, связан ли он с лигандом, и от конформационного состояния соседних субъединиц. Таким образом, конформационные состояния могут «распространяться» по всему комплексу.

Влияние вышестоящих и последующих компонентов на сверхчувствительность модуля [ править ]

В живой клетке сверхчувствительные модули встроены в более крупную сеть с вышестоящими и последующими компонентами. Эти компоненты могут ограничивать диапазон входов, которые модуль получит, а также диапазон выходов модуля, которые сеть сможет обнаружить. ^[43] Эти ограничения влияют на чувствительность модульной системы. Ограничения динамического диапазона, налагаемые нижестоящими компонентами, могут обеспечить эффективную чувствительность, намного большую, чем у исходного модуля, если рассматривать их изолированно.

Ссылки [ править ]

Эта статья была адаптирована из следующего источника под лицензией CC BY 4.0 ( 2013 г. ) ( отчеты рецензента ): «Совместное связывание» . PLOS Вычислительная биология . 9 (6): e1003106. 2013. DOI : 10.1371 / JOURNAL.PCBI.1003106 . ISSN  1553-734X . PMC  3699289 . PMID  23843752 . Викиданные  Q21045427 .