ENZYMES ALLOSTÉRIQUES: CARACTÉRISTIQUES, MÉCANISMES D'ACTION, EXEMPLES - LA BIOLOGIE - 2025

Une enzyme allostérique (du grec: allo, différent + stéréos, espace tridimensionnel) est une protéine dans laquelle des interactions indirectes se produisent entre des sites topographiquement différents, par la liaison de substrats et de molécules régulatrices (ligands).

La liaison d'un ligand à un site spécifique est influencée par la liaison d'un autre ligand effecteur (ou ligand modulateur) à un site (allostérique) différent sur l'enzyme. Ceci est connu sous le nom d'interactions allostériques ou interactions coopératives.

Exemple d'enzyme. Source: Thomas Shafee

Lorsque le ligand effecteur augmente l'affinité de liaison d'un autre ligand à l'enzyme, la coopérativité est positive. Lorsque l'affinité diminue, la coopérativité est négative. Si deux ligands identiques participent à l'interaction coopérative, l'effet est homotrope, et si les deux ligands sont différents, l'effet est hétérotrope.

L'interaction coopérative produit des changements réversibles dans la structure moléculaire de l'enzyme, au niveau de la structure tertiaire et quaternaire. Ces changements sont appelés changements conformationnels.

L'histoire

Le concept d'interaction allostérique est apparu il y a plus de 50 ans. Il a évolué au fil du temps, à savoir:

-En 1903, la courbe sigmoïdale de liaison de l'hémoglobine à l'oxygène a été observée.

-En 1910, la courbe sigmoïdale de la liaison de l'O ₂ à l'hémoglobine a été mathématiquement décrite en utilisant l'équation de Hill.

-En 1954, Novick et Szilard ont montré qu'une enzyme située au début d'une voie métabolique était inhibée par le produit final de cette voie, connue sous le nom de rétroaction négative.

-En 1956, Umbarger a découvert que la L-thréonine désaminase, la première enzyme de la voie de biosynthèse de la L-isoleucine, était inhibée par la L-isoleucine, et qu'elle ne présentait pas de cinétique typique de Michaelis-Menten avec une courbe hyperbolique, il avait plutôt une courbe sigmoïdale.

-En 1963, Perutz et al., Découvert grâce aux rayons X des changements conformationnels dans la structure de l'hémoglobine lorsqu'elle se lie à l'oxygène. Monod et Jacob ont renommé les sites de réglementation «sites allostériques».

-En 1965, Monod, Wyman et Changeux ont proposé le modèle symétrique, ou modèle MWC (lettres initiales de Monod, Wyman et Changeux) pour expliquer les interactions allostériques.

-En 1966, Koshland, Nemethy et Filmer ont proposé le modèle de couplage séquentiel ou induit, ou modèle KNF, pour expliquer les interactions allostériques.

-En 1988, la structure aux rayons X de l'aspartate transcarbamylase a démontré le modèle symétrique postulé par Monod, Wyman et Changeux.

-Dans les années 1990, les mutations, les modifications covalentes et les changements de pH étaient considérés comme des effecteurs allostériques.

-En 1996, la structure radiographique du répresseur lac a démontré des transitions allostériques.

Mécanismes d'action et exemples

-Caractéristiques des modèles MWC et KNF de régulation allostérique

Modèle MWC

L'hypothèse originale du modèle MWC proposait ce qui suit (Monod, Wyman, Changeux, 1965)

Les protéines allostériques sont des oligomères constitués de protomères symétriquement apparentés. Les protomères sont constitués de chaînes ou de sous-unités polypeptidiques.

Les oligomères ont au moins deux états de conformation (R et T). Les deux états (de la structure quaternaire) établissent spontanément un équilibre, avec ou sans ligand lié.

Lorsque la transition d'un état à un autre se produit, la symétrie est préservée et l'affinité d'un site (ou de plusieurs) sites stéréospécifiques pour un ligand est modifiée.

De cette manière, la liaison coopérative des ligands résulte de l'interaction coopérative entre les sous-unités.

Modèle KNF

L'hypothèse du modèle KNF a proposé ce qui suit (Koshland, Nemethy, Filmer, 1966): La liaison de ligand produit un changement de structure tertiaire dans une sous-unité. Ce changement de conformation affecte les sous-unités voisines.

L'affinité de liaison du ligand protéique dépend du nombre de ligands qu'il maintient ensemble. Ainsi, les protéines allostériques ont de multiples états conformationnels qui incluent des états intermédiaires.

Au cours des cinq dernières décennies, les modèles MWC et KNF ont été évalués au moyen d'études biochimiques et structurelles. Il a été démontré que de nombreuses protéines allostériques, dont des enzymes, sont conformes à ce qui est proposé dans le modèle MWC, bien qu'il y ait des exceptions.

Le modèle MWC et les enzymes allostériques (ou enzymes régulatrices allostériques)

Les enzymes allostériques sont souvent plus grosses et plus complexes que les enzymes non allostériques. L'aspartate transcarbamylase (Asp transcarbamylase ou ATCase) et la phosphofructokinase-1 (PFK-1) sont des exemples classiques d'enzymes allostériques conformes au modèle MWC.

AT Maison de

ATCase catalyse la première réaction de la voie de biosynthèse des nucléotides pyrimidiniques (CTP et UTP) et utilise Asp comme substrat. La structure d'ATCase est constituée de sous-unités catalytiques et régulatrices. L'ATCase a deux états conformationnels R et T. La symétrie entre ces deux états est conservée.

La cinétique de l'ATCase (le taux initial d'ATCase avec différentes concentrations d'aspartate) est caractérisée par une courbe sigmoïde. Cela indique qu'ATCasa a un comportement coopératif.

ATCase est inhibé par le CTP. La courbe sigmoïde d'ATCase, en présence de CTP, est à droite de la courbe sigmoïde d'ATCase en l'absence de CTP. Une augmentation de la valeur de la constante de Michaelis-Menten (K _m) est mise en évidence.

Autrement dit, en présence de CTP, ATCase nécessite une concentration plus élevée d'aspartate pour atteindre la moitié du taux maximal (V _max), par rapport à ATCase en l'absence de CTP.

En conclusion, le CTP est un effecteur allostérique négatif hétérotrope car il diminue l'affinité de l'ATCase pour l'aspartate. Ce comportement est connu sous le nom de coopérativité négative.

PFK - 1

PFK-1 catalyse la troisième réaction de la voie de la glycolyse. Cette réaction consiste en le transfert d'un groupe phosphate de l'ATP au fructose 6-phosphate. La structure de PFK-1 est un tétramère, qui présente deux états conformationnels R et T. La symétrie entre ces deux états est conservée.

La cinétique du PFK-1 (le taux initial avec différentes concentrations de fructose 6-phosphate) présente une courbe sigmoïde. PFK-1 est soumis à une régulation allostérique complexe par l'ATP, l'AMP et le frutose-2,6-bisphosphate, à savoir:

La courbe sigmoïde de PFK-1, en présence d'une concentration élevée d'ATP, est à droite de la courbe sigmoïde à une faible concentration d'ATP (figure 4). Une augmentation de la valeur de la constante de Michaelis-Menten (K _m) est mise en évidence.

En présence d'une concentration élevée d'ATP, le PFK-1 nécessite une concentration plus élevée de fructose 6-phosphate pour atteindre la moitié du taux maximum (V _max).

En conclusion, l'ATP, en plus d'être un substrat, est un effecteur allostérique hétérotrope négatif car il diminue l'affinité du PFK-1 pour le fructose 6-phosphate.

La courbe sigmoïde de PFK-1, en présence d'AMP, se situe à gauche de la courbe sigmoïde de PFK-1 en présence d'ATP. Autrement dit, l'AMP élimine l'effet inhibiteur de l'ATP.

En présence d'AMP, le PFK-1 nécessite une concentration plus faible de fructose 6-phosphate pour atteindre la moitié du taux maximum (V _max). Cela se manifeste par le fait qu'il y a une diminution de la valeur de la constante de Michaelis-Menten (K _m).

En conclusion, l'AMP est un effecteur allostérique hétérotrope positif car il augmente l'affinité de liaison du PFK-1 pour le fructose 6-phosphate. Le frutose-2,6-bisphosphate (F2,6BP) est un puissant activateur allostérique de PFK-1 (figure 5), et son comportement est similaire à celui de l'AMP.

Le modèle MWC est courant, mais pas universel

Parmi les structures protéiques totales déposées dans la PDB (Protein data bank), la moitié sont des oligomères et l'autre moitié sont des monomères. Il a été montré que la coopérativité ne nécessite pas de ligands multiples, ni l'assemblage de plusieurs sous-unités. C'est le cas de la glucokinase et d'autres enzymes.

La glucokinase est monomère, possède une chaîne polypeptidique et présente une cinétique sigmoïdale en réponse à une augmentation de la glycémie (Porter et Miller, 2012; Kamata et al., 2004).

Il existe différents modèles qui expliquent la cinétique coopérative dans les enzymes monomères, à savoir: modèle mnémonique, modèle de transition lente induite par ligand, ajout aléatoire de substrats dans les réactions biomoléculaires, types de changements conformationnels lents, entre autres.

Les études de la structure de la glucokinase ont soutenu le modèle mnémonique

La glucokinase humaine normale a un K _m de 8 mM pour le glucose. Cette valeur est proche de la concentration de glucose sanguin.

Il y a des patients qui souffrent d'hyperinsulinémie infantile résistante au pes (PHHI). La glucokinase de ces patients a un K _m plus faible pour le glucose que les glucokinases normales, et la coopérativité est significativement réduite.

Par conséquent, ces patients possèdent un variant de la glucokinase hyperactif, qui dans les cas graves peut être fatal.

Applications de l'allostérisme

L'allostrie et la catalyse sont étroitement liées. Pour cette raison, les effets allostériques peuvent affecter les caractéristiques de catalyse telles que la liaison de ligand, la libération de ligand.

Les sites de liaison allostérique peuvent être des cibles pour de nouveaux médicaments. En effet, l'effecteur allostérique peut influencer la fonction de l'enzyme. L'identification des sites allostériques est la première étape de la découverte de médicaments qui améliorent la fonction enzymatique.

Références

1. Changeux, JP 2012. Allostery et le modèle Monod-Wyman-Changeux Après 50 ans. Revue annuelle de la biophysique et de la structure biomoléculaire, 41: 103–133.
2. Changeux, JP 2013. 50 ans d'interactions allostériques: les rebondissements des modèles. Biologie cellulaire moléculaire, dans Nature Reviews, 14: 1–11.
3. Goodey, NM et Benkovic, SJ 2008. La régulation allostérique et la catalyse émergent par une voie commune. Nature Chemical Biology, 4: 274-482.
4. Kamata, K., Mitsuya, M., Nishimura, T., Eiki, Jun-ichi, Nagata, Y. 2004. Base structurelle pour la régulation allostérique de l'enzyme allostérique monomère glucokinase humaine. Structure, 12: 429–438.
5. Koshland, DE Jr., Nemethy, G., Filmer, D. 1966. Comparaison des données de liaison expérimentales et des modèles théoriques dans les protéines contenant des sous-unités. Biochemistry, 5: 365-385.
6. Monod, J., Wyman, J., Changeux, JP 1965. Sur la nature des transitions allostériques: un modèle plausible. Journal of Molecular Biology, 12: 88–118.
7. Nelson, DL et Cox, MM, 2008. Lehninger - Principes de biochimie. WH Freeman and Company, New York.
8. Porter, CM et Miller, BG 2012. Coopérativité dans les enzymes monomères avec des sites de liaison de ligand unique. Bioorganic Chemistry, 43: 44-50.
9. Voet, D. et Voet, J. 2004. Biochimie. John Wiley and Sons, États-Unis.