4.8
מעברים אלוסטריים שיתופיים יכולים להתרחש בחלבונים מולטימריים, כאשר לכל תת-יחידה של החלבון יש אתר קושר ליגנד משלה. כאשר ליגנד נקשר לכל אחת מתת-היחידות ה…
לחלבונים רבים יש תת-יחידות מרובות, כאשר כל תת-יחידה מכילה אתר קישור ליגנד נפרד.
כאשר מולקולה, המכונה אפנן, נקשרת לאחת מתתי-היחידות היא גורמת לשינוי קונפורמטיבי באתרי הקישור של תת-היחידות האחרות, תוך שינוי זיקתן לליגנדות המתאימות. זה נקרא מעבר אלוסטרי שיתופי וניתן להסביר אותו על ידי מספר מודלים תיאורטיים.
המודל המתואם או "הכל או אף אחד" מניח שכל יחידות המשנה קיימות יחד בקונפורמציה "כבויה" או "מופעלת".
קשירה יכולה להתרחש בכל אחת מהצורות, עם זאת, למצב "מופעל" יש זיקה גבוהה יותר לליגנד מאשר למצב "כבוי". כאשר ליגנד נקשר באחת מתתי-היחידות, הוא מקדם טרנספורמציה סימולטנית של כל אתרי הקישור לצורת הזיקה הגבוהה.
קואופרטיביות יכולה להיות מוסברת גם על ידי המודל הרציף, המניח שכל תת-יחידה יכולה להתקיים באופן עצמאי במצב זיקה גבוהה או נמוכה, אך סביר יותר שתהיה במצב זיקה גבוהה כאשר הליגנד קשור לכל אחת מתתי-היחידות.
אתרי הקישור של חלבונים אלוסטריים הם בדרך כלל תערובת של מקטעים גמישים וקבועים של שרשרת חומצות האמינו. כאשר ליגנד נקשר, חלקים בלתי יציבים אלה מתייצבים בקונפורמציה מסוימת, וזה משפיע על צורת אתרי הקישור על יחידות המשנה האחרות.
המוגלובין הוא דוגמה לחלבון טטרמרי שעובר מעבר אלוסטרי שיתופי כאשר חמצן נקשר.
לכל תת-יחידה של המוגלובין יש אתר קשירה יחיד. כאשר מולקולה אחת של חמצן נקשרת לתת-יחידה אחת, הקואופרטיביות מגבירה את הזיקה לחמצן באתרי הקישור הנותרים, מה שמקל על חמצן להיקשר למולקולת המוגלובין שכבר יש חמצן קשור אליה.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a cooperative allosteric transition in multimeric proteins?
A cooperative allosteric transition occurs when a ligand binds to one subunit of a multimeric protein, triggering a conformational change that alters the binding affinity of other subunits. A modulator molecule initiates this change by stabilizing flexible segments in the protein structure. This mechanism increases the sensitivity of the entire protein to ligand concentration, enabling rapid response at low concentrations.
Q2: How does the concerted model explain cooperativity in allosteric proteins?
The concerted model, also called the all-or-none model, proposes that all subunits simultaneously switch between low-affinity "off" and high-affinity "on" conformations. When a ligand binds to any subunit, it promotes conversion of all binding sites to the high-affinity form at once. Although ligands can bind in either state, binding occurs more readily in the high-affinity form.
Q3: What is the key difference between the sequential and concerted models of cooperativity?
The sequential model allows each subunit to independently exist in high or low-affinity states, whereas the concerted model requires all subunits to switch simultaneously. In the sequential model, ligand binding to one subunit shifts the equilibrium of other subunits toward the high-affinity state without forcing simultaneous conformational change. Both models explain how binding at one site increases affinity across the entire protein.
Q4: Why do flexible and stable segments in protein structure enable allosteric transitions?
Allosteric proteins contain a mix of flexible and fixed amino acid chain segments. When a ligand binds, the flexible segments stabilize into a particular conformation, reshaping the binding sites on other subunits. This structural plasticity allows the protein to transmit conformational changes throughout its structure, making cooperativity possible and enabling the protein to respond dynamically to ligand binding.
Q5: How does hemoglobin demonstrate cooperative allosteric transitions?
Hemoglobin is a tetrameric protein with four oxygen-binding sites. When one oxygen molecule binds to a single subunit, cooperativity increases the affinity for oxygen on the remaining three binding sites. This makes it progressively easier for additional oxygen molecules to bind, allowing hemoglobin to efficiently load oxygen in the lungs and unload it in tissues based on oxygen concentration.
Q6: What role does a modulator play in triggering allosteric transitions?
A modulator is a molecule that binds to one subunit and triggers conformational changes affecting other subunits' binding sites. By stabilizing flexible segments in the protein structure, the modulator initiates the transition between low and high-affinity states. This allows the protein to regulate its ligand-binding behavior in response to specific molecular signals.
Q7: How does cooperativity increase a protein's sensitivity to ligand concentration?
Cooperativity enables a single ligand binding event to alter affinity across the entire protein molecule, creating a steep response curve to changing ligand concentrations. This amplification allows the protein to transition rapidly between inactive and active states within a narrow concentration range. Such sensitivity is particularly valuable for proteins like hemoglobin that must respond precisely to physiological oxygen levels.