ENZIM ALOSTERIK: KARAKTERISTIK, MEKANISME KERJA, CONTOH - BIOLOGI - 2025

Sebuah enzim alosterik (dari bahasa Yunani: allo, + stereo yang berbeda, ruang tiga dimensi) adalah protein di mana interaksi langsung terjadi antara situs topografi yang berbeda, oleh pengikatan substrat dan molekul peraturan (ligan).

Pengikatan ligan ke situs tertentu dipengaruhi oleh pengikatan ligan efektor lain (atau ligan modulator) ke situs (alosterik) yang berbeda pada enzim. Ini dikenal sebagai interaksi alosterik, atau interaksi kooperatif.

Contoh enzim. Sumber: Thomas Shafee

Ketika ligan efektor meningkatkan afinitas pengikatan ligan lain ke enzim, kooperatifitasnya positif. Ketika afinitas menurun, kooperatifitasnya negatif. Jika dua ligan identik berpartisipasi dalam interaksi kooperatif, pengaruhnya homotropik, dan jika dua ligan berbeda, pengaruhnya heterotropik.

Interaksi kooperatif menghasilkan perubahan reversibel dalam struktur molekul enzim, pada tingkat struktur tersier dan kuaterner. Perubahan ini dikenal sebagai perubahan konformasi.

Sejarah

Konsep interaksi alosterik muncul lebih dari 50 tahun yang lalu. Itu telah berkembang seiring waktu, yaitu:

-Pada tahun 1903, kurva sigmoidal pengikatan hemoglobin ke oksigen diamati.

-Dalam 1910, kurva sigmoidal dari O ₂ yang mengikat untuk hemoglobin matematis digambarkan dengan menggunakan persamaan Hill.

-Pada tahun 1954, Novick dan Szilard menunjukkan bahwa enzim yang terletak di awal jalur metabolisme dihambat oleh produk akhir jalur ini, yang dikenal sebagai umpan balik negatif.

-Pada tahun 1956, Umbarger menemukan bahwa L-treonin deaminase, enzim pertama dari jalur biosintesis L-isoleusin, dihambat oleh L-isoleusin, dan tidak menunjukkan kinetika khas Michaelis-Menten dengan kurva hiperbolik, melainkan memiliki kurva sigmoidal.

-Pada tahun 1963, Perutz et al., Ditemukan melalui perubahan konformasi sinar-X dalam struktur hemoglobin ketika ia berikatan dengan oksigen. Monod dan Jacob mengganti nama situs regulasi menjadi "situs alosterik".

-Pada tahun 1965, Monod, Wyman dan Changeux mengusulkan model simetris, atau model MWC (huruf awal Monod, Wyman dan Changeux) untuk menjelaskan interaksi alosterik.

-Pada tahun 1966, Koshland, Nemethy dan Filmer mengusulkan model kopling sekuensial atau terinduksi, atau model KNF, untuk menjelaskan interaksi alosterik.

-Pada tahun 1988, struktur sinar-X dari aspartate transcarbamylase menunjukkan model simetris yang didalilkan oleh Monod, Wyman dan Changeux.

-Pada tahun 1990-an, mutasi, modifikasi kovalen dan perubahan pH dianggap sebagai efektor alosterik.

-Pada tahun 1996, struktur sinar-X dari penekan lac menunjukkan transisi alosterik.

Mekanisme aksi dan contoh

-Karakteristik model MWC dan KNF dari regulasi alosterik

Model MWC

Hipotesis asli dari model MWC yang diajukan sebagai berikut (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Protein alosterik adalah oligomer yang terdiri dari protomer yang berhubungan secara simetris. Protomer terdiri dari rantai atau subunit polipeptida.

Oligomer memiliki setidaknya dua kondisi konformasi (R dan T). Kedua keadaan (dari struktur kuaterner) secara spontan membentuk kesetimbangan, dengan atau tanpa ligan terikat.

Ketika transisi dari satu keadaan ke keadaan lain terjadi, simetri dipertahankan, dan afinitas situs (atau beberapa) situs stereospesifik untuk ligan diubah.

Dengan cara ini, ikatan kooperatif ligan mengikuti interaksi kooperatif antar subunit.

Model KNF

Hipotesis model KNF yang diajukan sebagai berikut (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): Pengikatan ligan menghasilkan perubahan struktur tersier dalam subunit. Perubahan konformasi ini mempengaruhi subunit tetangga.

Afinitas pengikatan ligan protein bergantung pada jumlah ligan yang disatukannya. Dengan demikian, protein alosterik memiliki beberapa keadaan konformasi yang mencakup keadaan antara.

Selama lima dekade terakhir, model MWC dan KNF telah dievaluasi melalui studi biokimia dan struktural. Telah ditunjukkan bahwa banyak protein alosterik, termasuk enzim, sesuai dengan apa yang diusulkan dalam model MWC, meskipun ada pengecualian.

Model MWC dan enzim alosterik (atau enzim pengatur alosterik)

Enzim alosterik seringkali lebih besar dan lebih kompleks daripada enzim non-alosterik. Aspartate transcarbamylase (Asp transcarbamylase atau ATCase) dan phosphofructokinase-1 (PFK-1) adalah contoh klasik dari enzim alosterik yang sesuai dengan model MWC.

AT House of

ATCase mengkatalisis reaksi pertama dari jalur biosintesis nukleotida pirimidin (CTP dan UTP) dan menggunakan Asp sebagai substrat. Struktur ATCase terdiri dari subunit katalitik dan regulator. ATCase memiliki dua keadaan konformasi R dan T. Simetri antara kedua keadaan ini dipertahankan.

Kinetika ATCase (laju awal ATCase dengan konsentrasi aspartat berbeda) dicirikan oleh kurva sigmoid. Hal ini menunjukkan bahwa ATCasa memiliki perilaku kooperatif.

ATCase adalah umpan balik yang dihambat oleh CTP. Kurva sigmoid ATCase, dengan adanya CTP, berada di sebelah kanan kurva sigmoid ATCase jika tidak ada CTP. Peningkatan nilai konstanta Michaelis-Menten (K _m ) dibuktikan .

Artinya, dengan adanya CTP, ATCase membutuhkan konsentrasi aspartat yang lebih tinggi untuk mencapai setengah dari laju maksimum (V _maks ), dibandingkan dengan ATCase tanpa adanya CTP.

Kesimpulannya, CTP adalah efektor alosterik negatif heterotropik karena menurunkan afinitas ATCase untuk aspartat. Perilaku ini dikenal sebagai kooperatifitas negatif.

PFK - 1

PFK-1 mengkatalisis reaksi ketiga dari jalur glikolisis. Reaksi ini terdiri dari transfer gugus fosfat dari ATP ke fruktosa 6-fosfat. Struktur PFK-1 adalah tetramer, yang menunjukkan dua keadaan konformasi R dan T. Simetri antara kedua keadaan ini dipertahankan.

Kinetika PFK-1 (laju awal dengan konsentrasi fruktosa 6-fosfat yang berbeda) menunjukkan kurva sigmoid. PFK-1 tunduk pada regulasi alosterik kompleks oleh ATP, AMP dan frutosa-2,6-bifosfat, yaitu:

Kurva sigmoid PFK-1, dengan adanya konsentrasi ATP yang tinggi, berada di sebelah kanan kurva sigmoid pada konsentrasi ATP yang rendah (Gambar 4). Peningkatan nilai konstanta Michaelis-Menten (K _m ) dibuktikan .

Dengan adanya konsentrasi ATP yang tinggi, PFK-1 membutuhkan konsentrasi fruktosa 6-fosfat yang lebih tinggi untuk mencapai setengah laju maksimum (V _maks ).

Kesimpulannya, ATP selain menjadi substrat merupakan efektor alosterik heterotropik negatif karena menurunkan afinitas PFK-1 terhadap fruktosa 6-fosfat.

Kurva sigmoid PFK-1, dengan adanya AMP, terletak di sebelah kiri kurva sigmoid PFK-1 dengan adanya ATP. Artinya, AMP menghilangkan efek penghambatan ATP.

Dengan adanya AMP, PFK-1 membutuhkan konsentrasi fruktosa 6-fosfat yang lebih rendah untuk mencapai setengah laju maksimum (V _maks ). Hal ini diwujudkan dengan adanya penurunan nilai konstanta Michaelis-Menten (K _m ).

Kesimpulannya, AMP merupakan efektor alosterik heterotropik positif karena meningkatkan afinitas pengikatan PFK-1 untuk fruktosa 6-fosfat. Frutose-2,6-bifosfat (F2,6BP) adalah aktivator alosterik kuat dari PFK-1 (Gambar 5), dan perilakunya mirip dengan AMP.

Model MWC adalah umum, tetapi tidak universal

Dari total struktur protein yang tersimpan di PDB (bank data protein), separuh merupakan oligomer dan separuh lainnya merupakan monomer. Telah terbukti bahwa kooperatifitas tidak membutuhkan banyak ligan, atau perakitan beberapa subunit. Ini adalah kasus untuk glukokinase dan enzim lainnya.

Glukokinase bersifat monomer, memiliki rantai polipeptida, dan menunjukkan kinetika sigmoidal sebagai respons terhadap peningkatan konsentrasi glukosa darah (Porter dan Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Terdapat beberapa model berbeda yang menjelaskan kinetika kooperatif dalam enzim monomer, yaitu: model mnemonik, model transisi lambat yang diinduksi ligan, penambahan substrat secara acak dalam reaksi biomolekuler, jenis perubahan konformasi lambat, antara lain.

Studi struktur glukokinase telah mendukung model mnemonik

Glukokinase manusia normal memiliki K _m dari 8 mM glukosa. Nilai ini mendekati konsentrasi glukosa darah.

Ada pasien yang menderita hiperinsulinemia masa kanak-kanak yang resistan terhadap pes (PHHI). The glukokinase pasien ini memiliki K lebih rendah _m untuk glukosa dari glucokinases normal, dan kooperatititas berkurang secara signifikan.

Akibatnya, pasien ini memiliki varian glukokinase yang hiperaktif, yang pada kasus parah bisa berakibat fatal.

Penerapan alosterisme

Allostry dan katalisis terkait erat. Karenanya, efek alosterik dapat mempengaruhi karakteristik katalisis seperti pengikatan ligan, pelepasan ligan.

Situs pengikatan alosterik mungkin menjadi target obat baru. Ini karena efektor alosterik dapat mempengaruhi fungsi enzim. Identifikasi situs alosterik merupakan langkah awal dalam penemuan obat yang meningkatkan fungsi enzim.

Referensi

1. Changeux, JP 2012. Allostery dan model Monod-Wyman-Changeux Setelah 50 tahun. Review Tahunan Biofisika dan Struktur Biomolekuler, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 tahun interaksi alosterik: liku-liku model. Molecular Cell Biology, dalam Nature Reviews, 14: 1–11.
3. Goodey, NM dan Benkovic, SJ 2008. Regulasi alosterik dan katalisis muncul melalui jalur yang sama. Biologi Kimia Alam, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Dasar struktural untuk regulasi alosterik dari enzim alosterik monomerik glukokinase manusia. Structure, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Perbandingan data pengikatan eksperimental dan model teoritis dalam protein yang mengandung subunit. Biokimia, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Tentang sifat transisi alosterik: model yang masuk akal. Jurnal Biologi Molekuler, 12: 88–118.
7. Nelson, DL dan Cox, MM, 2008. Lehninger - Prinsip Biokimia. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM dan Miller, BG 2012. Kerja sama dalam enzim monomer dengan situs pengikatan ligan tunggal. Kimia Bioorganik, 43: 44-50.
9. Voet, D. dan Voet, J. 2004. Biokimia. John Wiley and Sons, AS.