Allosteeriline regulatsioon

Biokeemias on allosteeriline regulatsioon valkude aktiivsuse reguleerimine läbi efektori seondumise allosteerilisse tsentrisse. Allosteeriline tsenter ei kattu valgu aktiivtsentriga. Efektor võib mõjuda valgule nii aktiveerivalt kui ka inhibeerivalt. Efektoreid, mis suurendavad valgu aktiivsust, nimetatakse allosteerilisteks aktivaatoriteks, kusjuures neid, mis vähendavad valgu aktiivsust, nimetatakse allosteerilisteks inhibiitoriteks. On olemas valke, mis on efektori poolt sisse või välja lülitatud. Efektormolekuli seondumisega allosteerilisse tsentrisse kaasneb valgus konformatsiooni muutus. Konformatsioon muutub, kuna valgu siseseste vastastikmõjude tasakaal nihkub. Allosteeriline kontroll valgul annab rakule võimaluse tagasiside vastuvõtmiseks ning sobivalt kohanemiseks muutuvatele tingimustele. Selline süsteem on kiirema reageerimisajaga ja energeetiliselt kasulikum kui näiteks transkriptsiooniline regulatsioon. Termin "allosteeria" pärineb kreeka sõnadest ἄλλος (allos) 'muu, teine' ja στερεὀς (stereos) 'ruumiline', viidates tõsiasjale, et allosteerilise valgu regulatoorne sait on füüsiliselt (ruumiliselt) lahus aktiivsaidist. Homotroofse regulatsiooni puhul on allosteerilise valgu substraat ja regulaator sama aine. Tavaliselt on tegu aktivaatoriga. Selline tüüp esineb hemoglobiini puhul, kus hapnik on nii substraat kui ka regulaator. Selline tüüp on pigem harvem, rohkem esineb valkude puhul heterotroofsust. Heterotroofse regulatsiooni puhul on allosteerilise valgu substraat ja regulaator erinevad ained. Selliseid valke on rohkem ja mehhanismid on keerulisemad. See esineb hemoglobiinil, kus regulaatoriteks on süsihappegaas, prootonid, kloor ja 2,3-difosfoglütseraat. Looduses esineb valke, milles on esindatud mõlemad regulatsioonitüübid. Mudelite kohaselt esineb valgul kaks olekut. T (tense, pinges) ja R (relaxed, lõõgastunud) olekud, kus T-olek on madala reaktiivsusega ja R-olek kõrge reaktiivsusega. Need olekud on omavaheltasakaalulises olekus. Näiteks hemoglobiinis on kõrge hapniku kontsentratsiooni puhul ülekaalus R-olek ning madala hapniku kontsentratsiooni puhul T-olek. MWC mudel põhineb Monodi, Wymani ja Changeux' avaldatud artiklil, mis pärineb aastast 1965. Monod kirjeldas allosteeriat järgnevalt: "Kaudne vastastikune toime kahe erineva seondumissaidi vahel [---] Need vastastikmõjud on vahendatud mingisuguse molekulaarse üleminekutega, mis on põhjustatud või stabiliseeritud valgu poolt, juhul kui seondub allosteeriliseligandiga." Ütlus väljendab, et terve valk võib läbida konformatsiooni muutuse, kui on kasvõi osaliselt efektoriga (ligandiga) seotud. MWC mudeli aluseks on kaks postulaati: 1. allosteersed valgud on oligomeerid, mis koosnevad samasugustest monomeeridest ning on paigutunud sümmeetriliselt; 2. allosteeriline efekt on põhjustatud ligandi seondumisest, mis rikub valgu sümmeetrilise paigutuse. Ligandiga seondunud valk taastab oma sümmeetria, mis põhjustab muutuse aktiivsaidis. Mudel on endiselt adekvaatne, kuigi mitte nii konkreetselt, vaid pigem üleüldise kontseptsioonina. Selle mudeli kohaselt esineb allosteeria ainult oligomeersetel ja kvatenaarstruktuuriga valkudel. Mudel on konstrueeritud hemoglobiini uuringute alusel, seega on seal olulisel kohal valgu sümmeetria. KNF mudelis ei ole valgu subühikud ühendatud nii, et muutus ühe konformatsioonis põhjustaks teiste subühikute konformatsiooni muutumist. Seega kõik valgu subühikud ei ole samas konformatsioonis. Allosteerilise ligandi (või substraadi) seondumine ühele subühikule põhjustab väikese muutuse teistes, mis muudab need subühikud vastuvõtlikumaks substraadi suhtes, seeläbi suurendades terve valgu aktiivsust. Mõlemad mudelid põhinevad hemoglobiinil, mis on neljast subühikust koosnev sümmeetriline valk. Allosteeriline regulatsioon esineb paljudel teistsuguse struktuuriga valkudel, millele ei ole loodud sobivat mudelit. Allosteeria on otsene ja efektiivne viis bioloogilise makromolekuli funktsiooni regulatsiooniks. Kõrge retseptori selektiivsuse ja madal toksilisuse tõttu oletatakse, et allosteeriline regulatsioon mängib järjest tähtsamat rolli ravimite avastamisel ja sünteetilises bioloogias. Allosteeriline andmebaas (ASD, http://mdl.shsmu.edu.cn/ASD) pakub keskseid vahendeid struktuuri otsimiseks ja analüüsiks. Lisaks sisaldab infot funktsiooni ja kokkuvõtteid allosteeriliste molekulide kohta. ASD-s leidub allosteerilisi valke rohkem kui 100 liigi kohta koos detailsete kirjeldustega funktsiooni, allosteeria, struktuuri jmt kohta. Suur andmebaas võimaldaks luua süsteemi, mille alusel saaks ennustada allosteeriat teadaolematutel valkudel ning luua usaldusväärselt allosteerilisi valke. Allosteeriline kontroll esineb rakupinna retseptoritel, mida oleks võimalik ära kasutada ravimite väljatöötamisel. Sellisel regulatsioonil on mitmeid eeliseid aktiivsaidiga seondumise ees. Üheks eeliseks on allosteerilise ligandi küllastumus, kuna allosteerilised seondumiskohad on hõivatud. Klassikalise seondumise puhul on küllastumine sõltuv teiste ainete kontsentratsioonist, kuna tegu on konkurentse inhibitsiooniga. Eeliseks võib lugeda ka seda, et allosteerilisel ligandil on võime valivalt mõjutada vastust ainult kudedes, kus endogeenne vastane oma füsioloogilist mõju omab. Selline seondumine võimaldab vähendada või suurendada mõne kindla signaali mõju rakule. Klassikaline ravim sarnast mõjutust ei võimalda, kuna tema mõju on püsiv ja konstantne. Allosteeriliste valkude loomiseks on eri viise, sõltuvalt allosteeriliste omaduste kasutamisest on võimalik luua sensoreid või lüliteid. 1) Väheste aminohapete muutmine. Mõne aminohappe välja vahetamisel on võimalik luua valk, millel esineb mitu erinevat voltumist. Sw2 on disainitud peptiid, millel on kaks erinevat kõrgema astme voltumist sõltuvalt kas pH-st või siirdemetallide juuresolekust. 2) Välistav voltumine. Sisuliselt on tegu kahe erineva valgu liitmisega, mis mõlemad ei saa korraga olla aktiivses seisundis ehk korrektselt voltunud. Toimub läbi valgu struktuuride ühendamise nii, et ühe korrektne konformatsioon põhjustab teise lahti voltumist. Põhjustab kahe subühiku vahel köieveo, kus saab aktiivne olla vaid üks valk. Näiteks on sellist valkude ühendamist tehtud ubikvitiini sisestamisel barnaasi pinna silmusesse. Ubikvitiini C ja N terminuse vahe on pikem kui barnaasi silmusel, mis põhjustab topoloogilise pinge kahe valgu vahel, kus saab ainult üks neist kahest esineda oma töötavas konformatsioonis. Nende vaheline tasakaal on üksteisest sõltuv ning seda on võimalik mõjutada läbi allosteerilise ligandi seondumise. Seondumine põhjustab raku surma, seega selle sünteetilise valgu väljundiks on raku surm. 3) Kattuvad järjestused. Kui kahe valgu vahel esineb sarnane aminohappe järjestus, on võimalik neid kokku liita nii, et võistlevad sama järjestuse kasutamise pärast. Läbi ligandi seondumise võib eelistatud olla ühe või teise valgu funktsioon. Sellist põhimõtet kasutades on disainitud hübriidvalk, millel on kattuvad järjestused. Mõlemad valgu domeenid on võimelised siduma ligandi, kuid mitte mõlemad korraga. See võimaldab luua allosteerilise regulatsiooni ja uue sisendi valgule, millel varem oli ainult üks kindel rada. Aktiivsust saab mõjutada allosteerilise ligandi lisamisega lahusesse ning seeläbi raku käitumist. Kiire konformatsiooni muutumise ja kõrge spetsiifika tõttu on allosteerilised valgud head biosensorid, sest võimaldavad tuvastada biomolekule isegi madalas kontsentratsioonis. Disaini poolest põhjustab allosteerilise ligandi seondumine valgule fluorestsentsi, pakkudes seeläbi visuaalset tagasisidet ning kvantitatiivset infot ligandi hulga kohta lahuses. Võimaldab määrata ainete hulka sõltumata nende keemilistest omadustest ja nähtavusest. Sellist lähenemist on kasutatud keskmise pikkusega rasvhapete (C8-C12) tuvastamiseks lahusest. Kasutati G-valguga seotud retseptorit (GPCR), mis pärinevad imetaja rakkudest ja on viidud pärmi rakku. Võimaldab tuvastada rasvhappe hulka läbi fluorestsentsi. Sellise süsteemi tööks on vajalik, et tuvastatav aine oleks lahuses mitte raku enda sees. Peamine viis allosteeria rakendamiseks sünteetilises bioloogias on lülitite loomine, mis kindla sisendi puhul annavad kindla väljundi. Näiteks Ostermeier lõi TEM1 β-laktamaasi, mille aktiivsus on reguleeritud läbi maltoosi olemasolu. Selline süsteem võimaldab kindla signaali juuresolekul saada kindlat väljundit ehk siis ensüümi aktiivsust. H. N. Motlagh,J. O. Wrabl, J. Li, V. J. Hilser (2014). "The ensemble nature of allostery". DOI:10.1038/nature13001. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Eaton, W. A., Henry, E. R., Hofrichter, J., Bettati, S., Viappiani, C. and Mozzarelli, A. "Evolution of allosteric models for hemoglobin". 59 (8–9): 586–599. DOI:10.1080/15216540701272380. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend); eiran tundmatut parameetrit |Year=, kasuta parameetrit (|year=) (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) J. Monod, J. Wyman, J.-P. Changeux. "On the nature of allosteric transitions: A plausible model". 12. DOI:10.1016/S0022-2836(65)80285-6. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend); eiran tundmatut parameetrit |Issue=, kasuta parameetrit (|issue=) (juhend); eiran tundmatut parameetrit |Pages=, kasuta parameetrit (|pages=) (juhend); eiran tundmatut parameetrit |Year=, kasuta parameetrit (|year=) (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Q. Cui, M. Karplus. "Allostery and cooperativity revisited". 17: 1295–1370. DOI:10.1110/ps.03259908. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend); eiran tundmatut parameetrit |Issue=, kasuta parameetrit (|issue=) (juhend); eiran tundmatut parameetrit |Year=, kasuta parameetrit (|year=) (juhend) D. E. KoshlandJr., G. Némethy, D. Filmer (1966). "Comparison of Experimental Binding Data and Theoretical Models in Proteins Containing Subunits". DOI:10.1021/bi00865a047. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Z. Huang, L. Zhu, Y. Cao, G. Wu, X. Liu, et al (2011) ASD: a comprehensive database of allosteric proteins and modulators. Nucleic Acids Res Volume 39, D663-669 N. J. M. Birdsall, T. Farries, P. Gharagozloo, S. Kobayashi, S. Lazareno, M. Sugimoto (1999). "Subtype-selective positive cooperative interactions between brucine analogs and acetylcholine at muscarinic receptors: functional studies". DOI:0026-895X/99/040778-09$3.00/0. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend); kontrolli parameetri |doi= väärtust (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) J. Jakubík, L. Bacáková, V. Lisá, E. E. el-Fakahany, S. Tucek (1996). "Activation of muscarinic acetylcholine receptors via their allosteric binding sites". {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) X. I. Ambroggio, B. Kuhlman (2006). "Computational Design of a Single Amino Acid Sequence that Can Switch between Two Distinct Protein Folds". DOI:10.1021/ja054718w. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend) T. L. Radley, A. I. Markowska, B. T. Bettinger, J.-H. Ha, S. N. Loh (2003). "Allosteric Switching by Mutually Exclusive Folding of Protein Domains". 332 (3): 529–536. DOI:10.1016/S0022-2836(03)00925-2. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) N. A. Sallee, B. J. Yeh, W. A. Lim (2007). "Arhiivikoopia" (PDF). DOI:10.1021/ja0672728. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 29. oktoober 2015. Vaadatud 2. novembril 2015. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: arhiivikoopia kasutusel pealkirjana (link) CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) K. Mukherjee, S. Bhattacharyya, P. Peralta-Yahya (2015). "GPCR-Based Chemical Biosensors for Medium-Chain Fatty Acids". DOI:10.1021/sb500365m. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) G. Guntas, T. J. Mansell, J. Ryoun Kim, M. Ostermeier (2005). "Directed evolution of protein switches and their application to the creation of ligand-binding proteins". DOI:10.1073/pnas.0502673102. Originaali arhiivikoopia seisuga 18. mai 2016. Vaadatud 2. novembril 2015. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend)CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Instant insight Royal Society of Chemistry tutvustud valkude allosteeria mehhanismide klassifikatsioonile