एलेस्टेरिक एंजाइम: लक्षण, क्रिया के तंत्र, उदाहरण - जीवविज्ञान - 2025

एक ऑलस्टेरिक एंजाइम (ग्रीक से: एलो, डिफरेंट + स्टीरियो, थ्री-डायमेंशनल स्पेस) एक प्रोटीन है, जिसमें सब्सट्रेट और रेग्युलेटरी मॉलिक्यूल्स (लिगेंड्स) के बाइंडिंग के जरिए टॉपोग्राफिक अलग-अलग साइट्स के बीच इनडायरेक्ट इंटरेक्शन होता है।

एक विशिष्ट साइट के लिए एक लिगैंड का बंधन एंजाइम पर एक अलग (एलोस्टरिक) साइट के लिए एक और प्रभावकार लिगैंड (या न्यूनाधिक लिगैंड) के बंधन से प्रभावित होता है। यह ऑलस्टेरिक इंटरैक्शन, या सहकारी बातचीत के रूप में जाना जाता है।

एक एंजाइम का उदाहरण। स्रोत: थॉमस शैफ़ी

जब इफेक्टर लिगैंड एंजाइम के लिए एक और लिगंड के बंधन संबंध को बढ़ाता है, तो सहकारिता सकारात्मक होती है। जब आत्मीयता कम हो जाती है, तो सहयोगात्मकता नकारात्मक होती है। यदि दो समान लिगेंड सहकारी बातचीत में भाग लेते हैं, तो प्रभाव होमोट्रोपिक है, और यदि दो लिगेंड अलग हैं, तो प्रभाव हेट्रोट्रोपिक है।

सहकारिता अंतःक्रिया, एंजाइम की आणविक संरचना में तृतीयक और चतुर्धातुक संरचना स्तर पर प्रतिवर्ती परिवर्तन पैदा करती है। इन परिवर्तनों को परिवर्तनकारी परिवर्तन के रूप में जाना जाता है।

इतिहास

एलोस्टेरिक इंटरैक्शन की अवधारणा 50 साल से अधिक समय पहले उभरी। यह समय के माध्यम से विकसित हुआ है, अर्थात्:

-1903 में, हीमोग्लोबिन को ऑक्सीजन से बांधने का सिग्मायोइडल वक्र देखा गया।

-1910 में, हेमोग्लोबिन के लिए हे ₂ बाइंडिंग के सिग्मायोडल वक्र को गणितीय रूप से हिल के समीकरण का उपयोग करके वर्णित किया गया था।

-1954 में, नोविक और स्ज़ीलार्ड ने दिखाया कि एक चयापचय पथ की शुरुआत में स्थित एक एंजाइम इस मार्ग के अंतिम उत्पाद द्वारा बाधित किया गया था, जिसे नकारात्मक प्रतिक्रिया के रूप में जाना जाता है।

-1956 में, उम्बर्गर ने पाया कि एल-थिओलेनीन डेमिनिनेज, एल-आइसोलेसीन बायोसिंथेसिस मार्ग में पहला एंजाइम, एल-आइसोलेकिन द्वारा बाधित था, और यह एक हाइपरबोलिक वक्र के साथ विशिष्ट माइकलिस-मेन्टेन कैनेटीक्स का प्रदर्शन नहीं करता था। बल्कि इसमें सिग्माइडल वक्र था।

-1963 में, पेरुट्ज़ एट अल।, हीमोग्लोबिन की संरचना में एक्स-रे के रूप में परिवर्तन के माध्यम से पता चला जब यह ऑक्सीजन से बांधता है। मोनोड और याकूब ने नियामक साइटों का नाम बदलकर "एलॉस्टरिक साइट्स" रखा।

-1965 में, मोनोड, वायमन और चेंजक्स ने ऑलमोर्सिक इंटरैक्शन को समझाने के लिए सममित मॉडल, या एमडब्ल्यूसी मॉडल (मोनोद, वायमन और चेंजक्स के प्रारंभिक अक्षर) का प्रस्ताव रखा।

-1966 में, कोस्टरलैंड, नेमेथी और फिल्मर ने ऑलस्टेरिक इंटरैक्शन को समझाने के लिए अनुक्रमिक या प्रेरित युग्मन मॉडल, या केएनएफ मॉडल का प्रस्ताव रखा।

-1988 में, एस्पार्टेट ट्रांसकारबाइलेज़ की एक्स-रे संरचना ने मोनोड, वायमन और चेंजक्स द्वारा पोस्ट किए गए सममित मॉडल का प्रदर्शन किया।

-1990 के दशक में, उत्परिवर्तन, सहसंयोजक संशोधन और पीएच परिवर्तन को एस्टरोस्टेरिक प्रभावकारक माना जाता था।

-1996 में, लैक रेप्रेसर के एक्स-रे संरचना ने ऑलस्टेरिक संक्रमण का प्रदर्शन किया।

क्रिया और उदाहरण के तंत्र

-ऑर्गेनिक विनियमन के MWC और KNF मॉडल के -विद्युत आंकड़े

MWC मॉडल

MWC मॉडल की मूल परिकल्पना निम्नलिखित प्रस्तावित की गई है (मोनोड, वायमन, चेंजक्स, 1965)

ऑलस्टेरिक प्रोटीन ऑलिगॉमर्स सममित रूप से संबंधित प्रोटोमर्स से बना होता है। प्रोटेमर्स पॉलीपेप्टाइड चेन या सबयूनिट से बने होते हैं।

ऑलिगॉमर्स में कम से कम दो कंफॉर्मेशन स्टेट (R और T) होते हैं। दोनों राज्य (चतुर्धातुक संरचना के) अनायास लिगैंड के साथ या उसके बिना एक संतुलन स्थापित करते हैं।

जब एक राज्य से दूसरे में संक्रमण होता है, तो समरूपता संरक्षित होती है, और एक लिगैंड के लिए एक साइट (या कई) स्टीरियोस्कोपिक साइटों की आत्मीयता को बदल दिया जाता है।

इस तरह, लिगेंड्स का सहकारी बंधन सबयूनिट्स के बीच सहकारी बातचीत से होता है।

KNF मॉडल

केएनएफ मॉडल की परिकल्पना ने निम्नलिखित (कोशलैंड, नेमेथी, फिल्मर, 1966) का प्रस्ताव किया था: लिगैंड बाइंडिंग एक सबयूनिट में तृतीयक संरचना में बदलाव पैदा करता है। संचलन में यह परिवर्तन पड़ोसी सबयूनिट को प्रभावित करता है।

प्रोटीन लिगैंड की बाध्यकारी आत्मीयता लिगैंड की संख्या पर निर्भर करती है जो इसे एक साथ रखती है। इस प्रकार, ऑलोस्टेरिक प्रोटीन में कई रूपात्मक राज्य होते हैं जिनमें मध्यवर्ती राज्य शामिल होते हैं।

पिछले पांच दशकों के दौरान, MWC और KNF मॉडल का मूल्यांकन जैव रासायनिक और संरचनात्मक अध्ययनों के माध्यम से किया गया है। यह दिखाया गया था कि एंजाइम सहित कई ऑलोस्टेरिक प्रोटीन MWC मॉडल में प्रस्तावित के साथ पालन करते हैं, हालांकि अपवाद हैं।

MWC मॉडल और allosteric एंजाइम (या allosteric नियामक एंजाइम)

गैर-ऑलस्टेरिक एंजाइमों की तुलना में ऑलस्टेरिक एंजाइम अक्सर बड़े और अधिक जटिल होते हैं। Aspartate transcarbamylase (Asp transcarbamylase या ATCase) और phosphofructokinase-1 (PFK-1) एल्डोस्टेरिक एंजाइमों के क्लासिक उदाहरण हैं जो MWC मॉडल का अनुपालन करते हैं।

का एटी हाउस

ATCase पिरिमिडीन न्यूक्लियोटाइड बायोसिंथेसिस मार्ग (CTP और UTP) की पहली प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करता है और एस्प को सब्सट्रेट के रूप में उपयोग करता है। ATCase की संरचना में उत्प्रेरक और विनियामक सबयूनिट हैं। ATCase के दो राज्य हैं R और T। इन दोनों राज्यों के बीच समरूपता संरक्षित है।

ATCase के कैनेटीक्स (aspartate के विभिन्न सांद्रता के साथ ATCase की प्रारंभिक दर) एक सिग्माइड वक्र की विशेषता है। यह इंगित करता है कि एटीकासा का सहकारी व्यवहार है।

ATCase CTP द्वारा अवरोधित प्रतिक्रिया है। CTP की उपस्थिति में ATCase का सिग्मॉइड वक्र, CTP की अनुपस्थिति में ATCase के सिग्माइड वक्र के दाईं ओर होता है। माइकलिस-मेन्टेन स्थिरांक (K _m) के मूल्य में वृद्धि का प्रमाण है ।

अर्थात्, CTP की उपस्थिति में, ATCase को CTP की अनुपस्थिति में ATCase की तुलना में _{अधिकतम} अधिकतम दर (V _{अधिकतम}) तक पहुंचने के लिए एस्पार्टेट की उच्च सांद्रता की आवश्यकता होती है ।

अंत में, CTP एक हेट्रोट्रॉपिक नेगेटिव ऑलोस्टेरिक इफ़ेक्टर है, क्योंकि यह एस्पार्टेट के लिए ATCase की आत्मीयता को कम करता है। इस व्यवहार को नकारात्मक सहयोगिता के रूप में जाना जाता है।

पीएफके - 1

PFK-1 ग्लाइकोलाइसिस मार्ग की तीसरी प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करता है। इस प्रतिक्रिया में एटीपी से फॉस्फेट समूह का स्थानांतरण होता है जिसमें 6-फॉस्फेट होता है। पीएफके -1 की संरचना एक टेट्रामर है, जो आर और टी के दो समरूप राज्यों को प्रदर्शित करती है। इन दोनों राज्यों के बीच समरूपता संरक्षित है।

PFK-1 के कैनेटीक्स (फ्रुक्टोज 6-फॉस्फेट के विभिन्न सांद्रता के साथ प्रारंभिक दर) एक सिग्माइड वक्र प्रदर्शित करता है। PFK-1 एटीपी, एएमपी और फ्रूटोज़-2,6-बिसफ़ॉस्फ़ॉर्म द्वारा जटिल ऑलस्टेरिक विनियमन के अधीन है:

पीएफके -1 का सिग्मॉइड वक्र, उच्च एटीपी एकाग्रता की उपस्थिति में, कम एटीपी एकाग्रता (चित्रा 4) में सिग्माइड वक्र के दाईं ओर होता है। माइकलिस-मेन्टेन स्थिरांक (K _m) के मूल्य में वृद्धि का प्रमाण है ।

एटीपी की उच्च एकाग्रता की उपस्थिति में, पीएफके -1 को फ्रुक्टोज 6-फॉस्फेट की उच्च एकाग्रता की आवश्यकता होती है ताकि अधिकतम अधिकतम दर (वी _{अधिकतम}) तक पहुंच सके ।

अंत में, एटीपी, एक सब्सट्रेट होने के अलावा, एक नकारात्मक हेटरोट्रोपिक ऑलोस्टेरिक प्रभावकारक है क्योंकि यह फ्रुक्टोज 6-फॉस्फेट के लिए पीएफके -1 की आत्मीयता को कम करता है।

पीएमके -1 का सिग्मॉइड वक्र, एएमपी की उपस्थिति में, एटीपी की उपस्थिति में पीएफके -1 के सिग्माइड वक्र के बाईं ओर स्थित है। यही है, एएमपी एटीपी के निरोधात्मक प्रभाव को समाप्त करता है।

एएमपी की उपस्थिति में, पीएफके -1 को फ्रुक्टोज 6-फॉस्फेट की कम एकाग्रता की आवश्यकता होती है ताकि अधिकतम अधिकतम दर (_{अधिकतम}) तक पहुंच सके । यह इस तथ्य में प्रकट होता है कि माइकलिस-मेन्टेन स्थिरांक (के _एम) के मूल्य में कमी है ।

अंत में, एएमपी एक सकारात्मक हेटरोट्रोपिक एलेस्टेरिक प्रभावकारक है क्योंकि यह फ्रुक्टोज 6-फॉस्फेट के लिए पीएफके -1 के बंधन संबंध को बढ़ाता है। फ्रूटोज़-2,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट (F2,6BP) PFK-1 (चित्र 5) का एक शक्तिशाली एलोस्टेरिक कार्यकर्ता है, और इसका व्यवहार एएमपी के समान है।

MWC मॉडल आम है, लेकिन सार्वभौमिक नहीं है

पीडीबी (प्रोटीन डेटा बैंक) में जमा कुल प्रोटीन संरचनाओं में से आधे ऑलिगोमर्स हैं और अन्य आधे मोनोमर हैं। यह दिखाया गया है कि सहकारिता को कई लिगेंड या कई सबयूनिट्स की असेंबली की आवश्यकता नहीं होती है। यह ग्लूकोकाइनेज और अन्य एंजाइमों के लिए मामला है।

ग्लूकोकाइनेज मोनोमेरिक है, एक पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला है, और रक्त शर्करा एकाग्रता (पोर्टर और मिलर, 2012; कामता एट अल।, 2004) के जवाब में सिग्मायोइडल कैनेटीक्स प्रदर्शित करता है।

अलग-अलग मॉडल हैं जो मोनोमेरिक एंजाइमों में सहकारी कैनेटीक्स की व्याख्या करते हैं, अर्थात्: मेनेमोनिक मॉडल, लिगैंड-प्रेरित धीमा संक्रमण मॉडल, बायोमोलेक्युलर प्रतिक्रियाओं में सब्सट्रेट का यादृच्छिक जोड़, अन्य लोगों के बीच धीमी गति से परिवर्तन के प्रकार।

ग्लूकोकाइनेज की संरचना के अध्ययन ने मेनेमोनिक मॉडल का समर्थन किया है

सामान्य मानव glucokinase एक कश्मीर है _मीटर ग्लूकोज के लिए 8 मिमी की। यह मान रक्त शर्करा एकाग्रता के करीब है।

ऐसे रोगी हैं जो बचपन (PHHI) के पीएस-प्रतिरोधी हाइपरिनसुलिनमिया से पीड़ित हैं। इन रोगियों के glucokinase एक कम कश्मीर है _मीटर सामान्य glucokinases से ग्लूकोज के लिए, और सहकारिता काफी कम है।

नतीजतन, इन रोगियों में ग्लूकोकाइनेज संस्करण होता है जो अतिसक्रिय होता है, जो गंभीर मामलों में घातक हो सकता है।

ऑलओस्टरवाद के अनुप्रयोग

एस्ट्रॉस्ट्री और कैटेलिसिस बारीकी से जुड़े हुए हैं। इस वजह से, एलोस्टेरिक प्रभाव कैटेलिसिस विशेषताओं जैसे कि लिगैंड बाइंडिंग, लिगैंड रिलीज़ को प्रभावित कर सकते हैं।

Allosteric बाइंडिंग साइट्स नई दवाओं के लिए लक्ष्य हो सकती हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि एलोस्टेरिक प्रभाव एंजाइम के कार्य को प्रभावित कर सकता है। एलोस्टेरिक साइटों की पहचान ड्रग्स की खोज में पहला कदम है जो एंजाइम फ़ंक्शन को बढ़ाता है।

संदर्भ

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