Кооперативная привязка

Кооперативное связывание происходит в системах молекулярного связывания, содержащих более одного типа или вида молекул и в которых один из партнеров не является моновалентным и может связывать более одной молекулы другого вида. В общем, молекулярное связывание — это взаимодействие между молекулами, которое приводит к стабильной физической ассоциации между этими молекулами.

Кооперативное связывание происходит в системе молекулярного связывания, где две или более молекулы- лиганда могут связываться с молекулой рецептора . Связывание можно считать «кооперативным», если фактическое связывание первой молекулы лиганда с рецептором изменяет аффинность связывания второй молекулы лиганда. Связывание молекул-лигандов с различными участками молекулы рецептора не представляет собой взаимно независимых событий. Кооперативность может быть положительной или отрицательной, что означает, что становится более или менее вероятным, что последующие молекулы лиганда связываются с молекулой рецептора.

Кооперативное связывание наблюдается во многих биополимерах, включая белки и нуклеиновые кислоты . Было показано, что кооперативное связывание является механизмом, лежащим в основе широкого спектра биохимических и физиологических процессов.

История и математические формализмы

Кристиан Бор и концепция кооперативного связывания

В 1904 году Кристиан Бор изучал гемоглобина связывание с кислородом в различных условиях. При построении графика насыщения гемоглобина кислородом в зависимости от парциального давления кислорода он получил сигмоидальную (или «S-образную») кривую. Это указывает на то, что чем больше кислорода связано с гемоглобином, тем легче связывается большему количеству кислорода – до тех пор, пока все места связывания не будут насыщены. Кроме того, Бор заметил, что увеличение давления CO ₂ смещает эту кривую вправо – т.е. более высокие концентрации CO ₂ затрудняют связывание кислорода гемоглобином. Это последнее явление, а также наблюдение о том, 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.

Говорят, что молекула рецептора демонстрирует кооперативное связывание, если ее связывание с лигандом нелинейно масштабируется в зависимости от концентрации 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-лигандов менее вероятным). . «Дробильное размещение» ${\bar {Y}}$ рецептора с данным лигандом определяется как количество сайтов связывания лиганда, деленное на общее количество сайтов связывания лиганда:

${\bar {Y}}={\frac {[{\text{bound sites}}]}{[{\text{bound sites}}]+[{\text{unbound sites}}]}}={\frac {[{\text{bound sites}}]}{[{\text{total sites}}]}}$

Если ${\bar {Y}}=0$, то белок полностью несвязан, а если ${\bar {Y}}=1$, он полностью насыщен. Если сюжет о ${\bar {Y}}$ в состоянии равновесия в зависимости от концентрации лиганда имеет сигмоидальную форму, как это наблюдал Бор для гемоглобина, это указывает на положительную кооперативность. Если это не так, то, глядя только на этот сюжет, нельзя сделать никаких утверждений о кооперативности.

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 каким-либо одним сайтом не влияет на другие, рецептор называют некооперативным. Кооперативность может быть гомотропной , если лиганд влияет на связывание лигандов того же вида, 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 концепции для описания связывания лиганда с белком с более чем одним сайтом связывания и кооперативных эффектов, наблюдаемых в этом контексте.

Уравнение Хилла

Первое описание кооперативного связывания с многосайтовым белком было разработано А. В. Хиллом . Опираясь на наблюдения за связыванием кислорода с гемоглобином и идею о том, что кооперативность возникает в результате 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, выделенный красным цветом, показывает наклон кривой, представляющий собой коэффициент Хилла, и точку пересечения с осью x, показывающую кажущуюся константу диссоциации. Зеленая линия показывает кривую некооперативности.

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

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

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

«Участок холма» получается путем построения $\log {\frac {\bar {Y}}{1-{\bar {Y}}}}$ против $\log[X]$. В случае уравнения Хилла это линия с наклоном $n_{H}$ и перехватить $n\cdot \log(K_{d})$. Это означает, что кооперативность предполагается фиксированной, т. е. она не меняется с насыщением. Это также означает, что сайты связывания всегда обладают одинаковым сродством, и кооперативность не возникает из-за увеличения сродства с концентрацией лиганда.

Уравнение Адэра

Г. С. Адэр обнаружил, что график Хилла для гемоглобина не является прямой линией, и предположил, что аффинность связывания не является фиксированным термином, а зависит от насыщения лиганда. 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. Образование каждой промежуточной стадии из несвязанного гемоглобина можно описать с помощью кажущейся макроскопической константы ассоциации. $K_{i}$. Полученную дробную занятость можно выразить как:

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

Или для любого белка с n сайтами связывания лиганда:

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

где n обозначает количество сайтов связывания и каждый $K_{i}$ — комбинированная константа ассоциации, описывающая связывание молекул i- лиганда. Объединив трактовку Адэра с графиком Хилла, можно прийти к современному экспериментальному определению кооперативности (Hill, 1985, Abeliovich, 2005). Результирующий коэффициент Хилла, или, точнее, наклон графика Хилла, рассчитанный по уравнению Адэра, можно показать как отношение между дисперсией числа связывания к дисперсии числа связывания в эквивалентной системе невзаимодействующих чисел. сайты связывания. Таким образом, коэффициент Хилла определяет кооперативность как статистическую зависимость одного сайта связывания от состояния другого сайта(ов).

Уравнение Клотца

Работая над белками, связывающими кальций, Ирвинг Клотц деконволюцировал константы ассоциации Адэра, рассматривая поэтапное образование промежуточных стадий, и попытался выразить кооперативное связывание в терминах элементарных процессов, управляемых законом действующих масс. В его рамках $K_{1}$ - константа ассоциации, определяющая связывание первой молекулы лиганда, $K_{2}$ константа ассоциации, определяющая связывание второй молекулы-лиганда (когда первая уже связана) и т. д. Для ${\bar {Y}}$, это дает:

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

Стоит отметить, что константы $K_{1}$, $K_{2}$ и т.д. не относятся к отдельным сайтам связывания. Они описывают, сколько сайтов связывания занято, а не какие именно . Эта форма имеет то преимущество, что кооперативность легко распознается при рассмотрении констант ассоциации. Если все сайты связывания лигандов идентичны с микроскопической константой ассоциации $K$, можно было бы ожидать $K_{1}=nK,K_{2}={\frac {n-1}{2}}K,\ldots K_{n}={\frac {1}{n}}K$ (то есть $K_{i}={\frac {n-i+1}{i}}K$) при отсутствии сотрудничества. Мы имеем положительную кооперацию, если $K_{i}$ лежит выше этих ожидаемых значений для $i>1$.

Уравнение Клотца (которое иногда также называют уравнением Адэра-Клотца) до сих пор часто используется в экспериментальной литературе для описания измерений связывания лигандов с точки зрения последовательных кажущихся констант связывания.

Уравнение Полинга

К середине 20-го века возрос интерес к моделям, которые не только феноменологически описывали кривые связывания, но и предлагали основной биохимический механизм. Лайнус Полинг переосмыслил уравнение Адэра, предположив, что его константы представляют собой комбинацию констант связывания лиганда ( $K$ в уравнении ниже) и энергии, поступающей от взаимодействия между субъединицами кооперативного белка ( $\alpha$ ниже). Полинг фактически вывел несколько уравнений в зависимости от степени взаимодействия между субъединицами. Основываясь на неверных предположениях о локализации гемов, он выбрал неверный вариант для описания связывания кислорода гемоглобином, полагая, что субъединицы расположены в квадрате. Приведенное ниже уравнение дает уравнение тетраэдрической структуры, которое было бы более точным в случае гемоглобина:

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

Модель КНФ

Основываясь на результатах, показывающих, что структура кооперативных белков изменяется при связывании с их лигандом, Дэниел Кошланд и его коллеги уточнили биохимическое объяснение механизма, описанного Полингом. Модель Кошланда-Немети-Филмера (KNF) предполагает, что каждая субъединица может существовать в одной из двух конформаций: активной или неактивной. Связывание лиганда с одной субъединицей может вызвать немедленное конформационное изменение этой субъединицы из неактивной в активную конформацию - механизм, описанный как «индуцированное соответствие». Кооперативность, согласно модели KNF, возникает в результате взаимодействий между субъединицами, сила которых варьируется в зависимости от относительных конформаций участвующих субъединиц. Для тетраэдрической структуры (рассматривались также линейные и квадратные структуры) они предложили следующую формулу:

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

Где $K_{X}$ – константа ассоциации для X, $K_{t}$ - соотношение состояний B и A в отсутствие лиганда («переход»), $K_{AB}$ и $K_{BB}$ — относительная стабильность пар соседних субъединиц относительно пары, где обе субъединицы находятся в состоянии A (обратите внимание, что в статье KNF фактически представлены $N_{s}$, количество занятых сайтов, которое здесь в 4 раза ${\bar {Y}}$).

Модель MWC

Модельная схема реакции Моно-Ваймана-Шанге белка, состоящего из двух протомеров. Протомер может существовать в двух состояниях, каждое из которых имеет разное сродство к лиганду. L — соотношение состояний в отсутствие лиганда, c — отношение сродства.

Энергетическая диаграмма модели Моно-Ваймана-Шанже белка, состоящего из двух протомеров. Большее сродство лиганда к состоянию R означает, что последнее преимущественно стабилизируется за счет связывания.

Модель Моно-Ваймана-Чанже (MWC) для согласованных аллостерических переходов. пошел еще дальше, исследуя кооперативность, основанную на термодинамике и трехмерных конформациях. Первоначально он был сформулирован для олигомерных белков с симметрично расположенными идентичными субъединицами, каждая из которых имеет один сайт связывания лиганда. Согласно этой теории, 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-лигандов, что стабилизирует состояние с более высоким сродством. Важно отметить, что все субъединицы молекулы меняют состояния одновременно — явление, известное как «согласованный переход».

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

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

Затем сигмовидный график Хилла аллостерических белков можно проанализировать как прогрессивный переход из состояния T (низкое сродство) в состояние R (высокое сродство) по мере увеличения насыщения. Наклон графика Хилла также зависит от насыщенности и имеет максимальное значение в точке перегиба. Точки пересечения между двумя асимптотами и осью y позволяют определить сродство обоих состояний к лиганду.

График Хилла функции связывания MWC показан красным, чистого состояния T и R - зеленым. По мере того как конформация меняется от T к R, меняется и функция связывания. Точки пересечения с осью x дают кажущуюся константу диссоциации, а также микроскопические константы диссоциации состояний R и T.

В белках конформационные изменения часто связаны с активностью или активностью по отношению к конкретным мишеням. Такая активность часто является физиологически значимой или измеряемой экспериментально. Степень конформационного изменения описывается функцией состояния ${\bar {R}}$, который обозначает долю белка, присутствующую в $R$ состояние. Как показывает энергетическая диаграмма, ${\bar {R}}$ увеличивается по мере связывания большего количества молекул лиганда. Выражение для ${\bar {R}}$ является:

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

Важнейшим аспектом модели MWC является то, что кривые ${\bar {Y}}$ и ${\bar {R}}$ не совпадают, т.е. фракционное насыщение не является прямым показателем конформационного состояния (и, следовательно, активности). При этом степень кооперативности связывания и кооперативности активации может сильно различаться: крайний случай обеспечивается мотором жгутиков бактерий с коэффициентом Хилла 1,7 для связывания и 10,3 для активации. Сверхлинейность ответа иногда называют сверхчувствительностью .

Если аллостерический белок связывается с мишенью, которая также имеет более высокое сродство к состоянию R, то связывание с мишенью дополнительно стабилизирует состояние R, следовательно, увеличивая аффинность лиганда. Если, с другой стороны, мишень преимущественно связывается с состоянием Т, то связывание с мишенью будет оказывать негативное влияние на аффинность лиганда. Такие мишени называются аллостерическими модуляторами .

С момента своего создания структура MWC была расширена и обобщена. Были предложены вариации, например, для белков с более чем двумя состояниями. белки, которые связываются с несколькими типами лигандов или несколько типов аллостерических модуляторов и белки с неидентичными субъединицами или сайтами связывания лигандов.

Примеры

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

Мультяшное изображение белка гемоглобина в двух его конформациях: «напряженный (T)» слева, соответствующий дезокси-форме (полученный из PDB id:11LFL), и «расслабленный (R)» справа, соответствующий окси-форме (полученный из PDB id:11LFL) и «расслабленный (R)» справа, соответствующий окси-форме (производный). из PDB с идентификатором: 1LFT).

Как описано в историческом разделе, наиболее известным примером кооперативного связывания является гемоглобин . Его четверичная структура, раскрытая Максом Перуцем с помощью дифракции рентгеновских лучей, имеет псевдосимметричный тетраэдр, несущий четыре места связывания (гема) кислорода. Многие другие молекулярные сборки, демонстрирующие кооперативное связывание, были изучены очень подробно.

Мультимерные ферменты

Активность многих ферментов регулируется . аллостерическими эффекторами Некоторые из этих ферментов являются мультимерными и несут несколько сайтов связывания регуляторов.

Треониндезаминаза была одним из первых ферментов, которые, как предполагалось, вели себя подобно гемоглобину. и показано, что они кооперативно связывают лиганды. Позже было показано, что это тетрамерный белок.

Еще одним ферментом, который, как предполагалось ранее, совместно связывает лиганды, является аспартат-транс-карбамилаза . Хотя первоначальные модели соответствовали четырем сайтам связывания, и его коллеги показали, что его структура гексамерная Позже Уильям Липскомб .

Ионные каналы

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

Было предложено еще в 1967 г. (когда точная природа этих каналов была еще неизвестна), что никотиновые рецепторы ацетилхолина связывали ацетилхолин кооперативно из-за существования нескольких сайтов связывания. Очистка рецептора и его характеристика продемонстрировала пентамерную структуру с сайтами связывания, расположенными на границах между субъединицами, что подтверждается структурой домена связывания рецептора.

Рецепторы инозитолтрифосфата (IP3) образуют другой класс лиганд-управляемых ионных каналов, демонстрирующих кооперативное связывание. В структуре этих рецепторов присутствуют четыре симметрично расположенных сайта связывания IP3.

Многосайтовые молекулы

Хотя большинство белков, демонстрирующих кооперативное связывание, представляют собой мультимерные комплексы гомологичных субъединиц, некоторые белки несут несколько сайтов связывания 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. В его структуре представлены четыре домена EF-hand , каждый из них связывает один ион кальция. Молекула не имеет квадратной или тетраэдрической структуры, а состоит из двух долей, каждая из которых несет два домена EF-hand.

Мультяшное изображение белка кальмодулина в двух его конформациях: «закрытая» слева (полученная из идентификатора PDB : 1CFD) и «открытая» справа (полученная из идентификатора PDB : 3CLN). Открытая конформация представлена ​​связанной с 4 ионами кальция (оранжевые сферы).

Транскрипционные факторы

Также было показано кооперативное связывание белков с нуклеиновыми кислотами. Классическим примером является связывание репрессора фага лямбда с его операторами, которое происходит кооперативно. Другие примеры факторов транскрипции демонстрируют положительную кооперативность при связывании со своей мишенью, например репрессор насосов TtgABC. (n=1,6), а также условную кооперативность, проявляемую факторами транскрипции HOXA11 и FOXO1 .

И наоборот, были также задокументированы примеры негативной кооперативности связывания факторов транскрипции, как и в случае гомодимерного репрессора Pseudomonas putida. оперона цитохрома P450cam гидроксилазы (п=0,56).

Конформационное распространение и кооперативность связывания

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

Следуя аналогичной идее, модель конформационного распространения Дьюка и его коллег рассматривает как модель KNF, так и модель MWC как особые случаи. В этой модели субъединица не меняет конформацию автоматически при связывании лиганда (как в модели KNF), а также не все субъединицы в комплексе меняют конформацию вместе (как в модели MWC). Конформационные изменения носят стохастический характер, причем вероятность переключения состояний субъединицы зависит от того, связана ли она с лигандом, а также от конформационного состояния соседних субъединиц. Таким образом, конформационные состояния могут «распространиться» по всему комплексу.

Влияние вышестоящих и последующих компонентов на сверхчувствительность модуля

В живой клетке сверхчувствительные модули встроены в более крупную сеть с восходящими и нисходящими компонентами. Эти компоненты могут ограничивать диапазон входных данных, которые модуль будет получать, а также диапазон выходных сигналов модуля, которые сеть сможет обнаружить. Эти ограничения влияют на чувствительность модульной системы. Ограничения динамического диапазона, налагаемые последующими компонентами, могут обеспечить эффективную чувствительность, намного большую, чем у исходного модуля, если рассматривать его изолированно.

Ссылки

Эта статья была адаптирована из следующего источника под лицензией CC BY 4.0 ( 2013 г. ) ( отчеты рецензента ): Мелани и Стефан; Николя Ле Новер (2013). «Кооперативная вязка» . PLOS Вычислительная биология . 9 (6): e1003106. doi : 10.1371/JOURNAL.PCBI.1003106 . ISSN   1553-734X . ПМЦ   3699289 . ПМИД   23843752 . Викиданные   Q21045427 .