6.5: Kooperative allosterische Übergänge

Cooperative allosteric transitions can occur in multimeric proteins, where each subunit of the protein has its own ligand-binding site. When a ligand binds to any of these subunits, it triggers a conformational change that affects the binding sites in the other subunits; this can change the affinity of the other sites for their respective ligands. The ability of the protein to change the shape of its binding site is attributed to the presence of a mix of flexible and stable segments in the structure.  A molecule that triggers this change is known as a modulator.

Two models are often used to explain cooperativity in multimeric proteins: the concerted and the sequential model. The concerted model, also known as the all-or-none model, hypothesizes that all the subunits of a multimeric protein  switch simultaneously between the “on” and “off” conformations. In the “on” form, the binding sites have a high affinity for their respective ligands, and in the “off” form, the binding sites have a low affinity. When a ligand binds to any one of the subunits, it promotes the conversion to the high-affinity form, simultaneously changing the conformation of all other binding sites of the protein. Although a ligand can bind to either form, it is easier for it to bind when in the high-affinity form.

The sequential model assumes that each subunit of a multimeric protein can exist independently in an “on” or “off” conformation, that is in either the low or high-affinity form, regardless of the state of the other subunits.  Binding of a ligand to a subunit changes the equilibrium between the low and high-affinity forms such that it is more likely for the subunit to be in high-affinity form.  Additionally, a ligand binding on one subunit shifts the equilibrium for the other subunits in the protein. This increases the likelihood that once one ligand is bound, another ligand will bind to a different subunit.  This cooperativity increases the sensitivity of the protein to ligand concentration. A ligand binding at a single site can change the affinity on the entire protein molecule, thereby enabling a rapid response at low concentrations.

Viele Proteine haben mehrere Untereinheiten, wobei jede Untereinheit eine separate Ligandenbindungsstelle enthält.

Wenn ein Molekül, ein sogenannter Modulator, an eine der Untereinheiten bindet, löst es eine Konformationsänderung in den Bindungsstellen der anderen Untereinheiten aus, wodurch sich ihre Affinität zu ihren jeweiligen Liganden ändert. Dies wird als kooperativer allosterischer Übergang bezeichnet und kann durch verschiedene theoretische Modelle erklärt werden.

Das konzertierte oder "Alles-oder-Nichts"-Modell geht davon aus, dass alle Untereinheiten zusammen in einer "aus"- oder "ein"-Konformation existieren.

Die Bindung kann in beiden Formen erfolgen, jedoch hat der "Ein"-Zustand eine höhere Affinität für den Liganden als der "Aus"-Zustand. Wenn ein Ligand an eine der Untereinheiten bindet, fördert er die gleichzeitige Umwandlung aller Bindungsstellen in die hochaffine Form.

Die Kooperativität kann auch durch das sequentielle Modell erklärt werden, das davon ausgeht, dass jede Untereinheit unabhängig voneinander in einem Zustand mit hoher oder niedriger Affinität existieren kann, sich aber eher im Zustand mit hoher Affinität befindet, wenn der Ligand an eine der Untereinheiten gebunden ist.

Die Bindungsstellen allosterischer Proteine sind in der Regel eine Mischung aus flexiblen und festen Segmenten der Aminosäurekette. Wenn ein Ligand bindet, werden diese instabilen Teile in einer bestimmten Konformation stabilisiert, was sich auf die Form der Bindungsstellen an den anderen Untereinheiten auswirkt.

Hämoglobin ist ein Beispiel für ein tetrameres Protein, das einen kooperativen allosterischen Übergang durchläuft, wenn Sauerstoff bindet.

Jede Untereinheit des Hämoglobins hat eine einzige Bindungsstelle. Wenn ein Sauerstoffmolekül an eine einzelne Untereinheit bindet, erhöht die Kooperativität die Affinität zu Sauerstoff an den verbleibenden Bindungsstellen, wodurch es für Sauerstoff einfacher wird, an ein Hämoglobinmolekül zu binden, an das bereits Sauerstoff gebunden ist.

• Cooperative ligand binding - A process in biology where ligands bind to a protein molecule in a manner that enhances or suppresses the function of the protein.
• Allosteric transition - The conformational change in a protein's structure upon binding of an effector or ligand molecule.
• Cooperativity - A form of allosteric activation where a protein's binding to a ligand enhances its affinity for more of that ligand.
• Sequential Transitions - A model that considers that binding sites for ligands are not equivalent and can change upon ligand binding.
• Concerted Model - A model in which all subunits of a protein change simultaneously upon ligand binding.

• Define Cooperative ligand binding - Explain what it is (e.g., ligand biology).
• Contrast Allosteric vs Cooperative binding - Explain key differences (e.g., binding cooperativity).
• Explore models of cooperativity - Describe scenario (e.g., sequential transitions, concerted model).
• Explain Mechanism of allosteric transition - Expound on the process of conformational changes in protein structures.
• Apply cooperative binding in context - Discuss its role and significance in biological processes.

• What is cooperative ligand binding and how does it affect protein function?
• How does allosteric transition differ from cooperative binding?
• What are the key points that differentiate the sequential model from the concerted model of cooperativity?

• Students - Understand How cooperative and allosteric binding supports protein functionality and biology.
• Educators - Provides a clear framework it helps with teaching the concept of cooperativity and protein function.
• Researchers - Cooperativity and allosteric transitions hold significant relevance for biological research, molecular biology and protein design.
• Science Enthusiasts - Offer insights into protein functionality, stimulating broader interest and curiosity value.