קישור קואופרטיבי

קִישּׁוּר קוֹאוֹפֶּרָטִיבִי או קוֹאוֹפֶּרָטִיבִיוּת הוא מושג בביוכימיה המייצג, לרוב, את היכולת של חלבונים לשנות את הזיקה שלהם לליגנד (לרוב הסובסטראט) עקב קישור מוקדם של ליגנד. כלומר אפיניות הקישור של הליגנד השני לחלבון תהיה שונה מהאפיניות שבה נקשר הליגנד הראשון לאותו חלבון. המונח מייצג גם קשת רחבה של שינויים בקינטיקה של תהליכים. לדוגמה: תהליך יצירת ממברנות ביולוגיות נחשב תהליך קואופרטיבי, מכיוון שקצב יצירת הממברנה גדל לאחר שהממברנה החלה להיווצר (לעומת בהיעדר כל מבנה ראשוני) על פי התאוריה המקובלת, גם תהליך קיפול חלבונים הוא קואופרטיבי, ויצירת גרעין הקיפול מקלה על המשך קיפול החלבון. קואופרטיביות מתקיימת כאשר האפיניות לקשירה של מולקולה לליגנד שלה, משתנה כתלות בקישור של הליגנד אליה. קואופרטיביות היא מקרה פרטי של אלוסטריה. מולקולה המתנהגת באופן קואופרטיבי חייבת להיות בעלת לפחות 2 אתרי קישור לליגנד. אם קישור לליגנד באתר אחד מגדיל את האפיניות לקשירת מולקולות ליגנד נוספות באתר שני מדובר בקואופרטיביות חיובית (אפקטור אלוסטרי הומוטרופי חיובי). והפוך, אם קישור לליגנד באתר אחד מקטין את האפיניות לקשירת מולקולות ליגנד נוספות באתר השני מדובר בקואופרטיביות שלילית (אפקטור אלוסטרי הומוטרופי שלילי). כאשר קשירת הליגנד אינה משנה את האפיניות לקשירת ליגנד נוסף, מקובל לומר שאין קואופרטיביות. החלבון המוגלובין, שתפקידו נשיאת מולקולות חמצן בדם, הוא טטרמר; כלומר הוא אוליגומר בעל 4 אתרי קישור לחמצן (אחד בכל תת-יחידה). כאשר מולקולת חמצן נקשרת בתת-יחידה אחת, עולה האפיניות לקשירת מולקולות חמצן נוספות בתת-היחידות האחרות (תהליך זה מתרחש בריאות). גם ההפך נכון: ניתוק מולקולת חמצן מיחידה אחת יעודד את ניתוק שאר מולקולות החמצן הקשורות (תהליך המתרחש ברקמות היעד, כגון בשרירים). במקרה זה, תופעת הקואופרטיביות מגדילה את יכולת ההמוגלובין לקשור חמצן בריאה ולשחררו בשריר (כושר נשיאת החמצן של המוגלובין גדולה פי 1.7 יותר חמצן מאשר חלבון תאורטי עם 4 אתרי קישור בלתי תלויים). מקדם היל מתאר באופן כמותי את הקואופרטיביות של חלבון, והוא מופיע במשוואת היל: θ = [ L ] n K d + [ L ] n = [ L ] n ( K A ) n + [ L ] n {\displaystyle \theta ={[L]^{n} \over K_{d}+[L]^{n}}={[L]^{n} \over (K_{A})^{n}+[L]^{n}}} כאשר: θ הוא החלק היחסי של אתרי הקישור הקשורים לליגנד, כלומר: מספר אתרי הקישור הקשורים חלקי מספר אתרי הקישור הכולל; [L] הוא ריכוז הליגנד; Kd הוא קבוע הדיסוציאציה (קבוע שיווי משקל עבור ריאקציית ניתוק הקשר בין הליגנד לחלבון); KA הוא את ריכוז הליגנד שבו חצי מכמות אתרי הקישור בחלבון מאוכלסת על ידי ליגנד (50% קשירה); n הוא מקדם היל. ליניאריזציה של משוואת היל מביאה לביטוי: log ⁡ ( θ 1 − θ ) = n log ⁡ [ L ] − n log ⁡ K A {\displaystyle \log \left({\theta \over 1-\theta }\right)=n\log {[L]}-n\log {K_{A}}} ושרטוט של ביטוי זה נקרא עקום היל, כך שהשיפוע של העקום הוא מקדם היל, n. ככל שמקדם היל גדול יותר כך גדולה יותר מידת הקואופרטיביות. מקדם היל התאורטי המקסימלי הוא כמספר אתרי הקשירה. אם n=1, אין קואופרטיביות. אם n>1, ישנה קואופרטיביות חיובית (קישור ליגנד מגדיל את האפיניות לקישור ליגנד נוסף). אם n<1, ישנה קואופרטיביות שלילית (קישור ליגנד מקטין את האפיניות לקישור ליגנד נוסף). שני מודלים המנסים לתאר את התופעה ושניהם מתאימים לתיאור בהמוגלובין. מודל MWC או המודל המתואם (The two-state, concerted model) פותח על ידי ז'אק מונו, ג'פרי ווימן וז'אן-פיאר שנז'ו בשנת 1965. בבסיס מודל זה עומדת הנחת היסוד שכל תת-היחידות בחלבון משנות את הקונפורמציה שלהן, ולכן גם את האפיניות, יחדיו. כלומר, שינוי מתואם בכל תת-היחידות. כל תת-היחידות ימצאו במצב T (מתוח, עם האפיניות הנמוכה) או במצב R (רגוע, עם האפיניות הגבוהה). קישור הליגנד לתת-יחידה מטה את שיווי המשקל בין המצבים T ל-R, ולכן גורם לשינוי הנצפה בחלבונים קואופרטיביים. מודל KNF המודל הרציף (The sequential mode) פותח על ידי דניאל קושלנד ועמיתיו ג'ורג' נמתי ודייוויד פילמר בשנת 1965, מתאר את הקואופרטיביות דרך שינויים בכל תת-יחידה בנפרד, לאחר קישור הליגנד לתת יחידה זו. קישור של ליגנד מתאים לתת יחידה אחת גורם לה לשינוי קונפורמציה, ומעלה את האפיניות לקישור לתת יחידה הבאה בלבד. מודל זה דורש קבוע שונה לכל שלב קשירה. אלוסטריה אנזים המוגלובין אפיניות Remembering Daniel E. Koshland Jr. (1920–2007). D. E. KoshlandJr., G. Némethy, D. Filmer, Comparison of Experimental Binding Data and Theoretical Models in Proteins Containing Subunits, Biochemistry, 1966, 5 (1), pp 365–385 DOI: 10.1021/bi00865a047.