Modèle allostérique de Jacques MONOD, Jeffries WYMAN & Jean-Pierre CHANGEUX (1965)

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1. Introduction au modèle MWC ou modèle concerté ou de "tout ou rien"

2. Les bases du modèle MWC

3. Nomenclature du modèle MWC

 

1. Introduction au modèle MWC ou modèle concerté ou de "tout ou rien" (voir une partie de l'article original)

a. L'un des moyens employés par la cellule pour contrôler le flux global d'une voie métabolique est la modulation de l'activité de certaines enzymes selon un mécanisme extrêmement sophistiqué : la régulation allostérique :

  • les effets allostériques sont les interactions indirectes entre sites de fixation distincts
  • ces interactions sont médiées par le passage d'une conformation à une autre de la structure de la macromolécule (la transition allostérique)
  • ces effets se traduisent par la fixation coopérative (voire anti-coopérative) de l'un et/ou l'autre des ligands (substrats, effecteurs) de l'enzyme.

Voici deux extraits de l'introduction de l'article de Jacques Monod, Jeffries Wyman & Jean-Pierre Changeux (1965) :

  • "indirect interactions between distinct specific binding-sites (allosteric effects)"
  • "It must be assumed that these interactions are mediated by some kind of molecular transition (allosteric transition) which is induced or stabilized in the protein when it binds an "allosteric ligand"".

b. Le terme "allostérique" vient des deux mots Grecs : "allos" et "stereos" qui signifient : "une autre forme" ou "un autre solide". Il peut donc s'entendre comme "une autre conformation".

Il fût employé par J. Monod & François Jacob (1961) pour désigner le processus d'inhibition du précurseur du Trp par le Trp lui-même

Avec le développement de modèles décrivant les effets allostériques, il a pris un sens supplémentaire : "un autre site".

c. Les effecteurs allostériques sont des molécules autres que les substrats (en général) et dont la fixation en des sites distincts (voire identiques, compétitifs) des sites de fixation des substrats diminue l'activité de l'enzyme (inhibiteurs) ou l'augmente (activateurs).

Les effecteurs sont souvent :

  • les produits finaux de la voie métabolique dans laquelle ces enzymes sont impliquées : ainsi, ces métabolites terminaux régulent-ils leur propre synthèse. Exemple : la glutamine synthétase.
  • l'AMP, l'ADP, l'ATP, le NAD et le NADH : ainsi le niveau énergétique de la cellule constitue-t-il un signal qui permet de réguler le niveau énergétique de la cellule (diminution ou augmentation de la formation d'ATP via l'ATP synthase). Exemple : la pyruvate kinase.

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2. Les bases du modèle MWC

a. Deux types d'effets allostériques :

  • effets homotropes : les interactions entre ligands identiques
  • effets hétérotropes : les interactions entre ligands différents. Ces effets traduisent une plus grande aptitude (ou au contraire moins grande) de la macromolécule à subir la transition allostérique (le passage d'une conformation à une autre)

b. Les propriétés générales des systèmes allostériques sont les suivantes :

  • la plupart des protéines à régulation allostérique sont des polymères ou des oligomères (ou homopolymères, plusieurs sous-unités identiques). Exemple : la glutamate déshydrogénase
  • les interactions allostériques résultent de modifications (altérations) de la structure quaternaire de la protéine
  • les effets homotropes sont toujours coopératifs (positifs). Les effets hétérotropes sont coopératifs ou anti-coopératifs (négatifs, antagonistes)

c. Les hypothèses du modèle MWC

  • un oligomère contient un nombre fini (petit) de sous-unités identiques appelées protomère (un monomère désigne une sous-unité complètement dissociée des autres)
  • tous les protomères occupent une position spatiale équivalente : il existe au moins un axe de symmétrie dans la protéine
  • à chaque molécule de ligand (capable de former un complexe stéréospécifique avec la protéine) ne correspond qu'un site de fixation par protomère. Celà signifie que la symmétrie spatiale de la macromolécule est la même que la symmétrie de distribution d'un type de site
  • la conformation d'un protomère est contrainte par celle des autres protomères auxquels il est associé
  • un protomère peut adopter, de manière réversible, deux états conformationnels (au moins) : ils se distinguent par la distribution et/ou le niveau d'énergie des liaisons inter-protomères et, par conséquent, par les contraintes que s'imposent (donc subissent) les protomères
  • la symmétrie spatiale de la protéine (donc de la distribution des protomères) est conservée quel que soit la conformation
  • il en résulte que l'affinité d'un ou plusieurs sites de fixation (spécifique d'un ligand donné) est modifiée quand un protomère change de conformation

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La partie qui suit est inspiré du livre "Enzyme Kinetics" de Irwin H. SEGEL (1993) (Wiley & sons. ed).

3. Nomenclature du modèle MWC

L'enzyme étudiée par Monod, Wyman & Changeux pour établir leur modèle est la phosphofructokinase, enzyme tétramérique constituée de 4 sous-unités identiques.

Les deux états conformationnels que peut adopter un protomère sont dénommés respectivement :

  • T (pour "Tense"), conformation "tendue", les sites de fixation ont une affinité faible pour un ligand donné
  • R (pour "Relax"), conformation "relâchée", les sites de fixation ont une affinité forte pour un ligand donné

Ces deux conformations sont en équilibre (quelle que soit la concentration d'un ligand donné) et cet équilibre est régit par la constante allostérique L0 :

L0

T0 <=====> R0

Schéma général de la fixation successive de 4 molécules de substrat

"...by reason of symmetry and because the binding of any one ligand molecule is assumed to be intrinsically independent of the binding of any other, the microscopic dissociation constants are the same ..."

Le modèle MWC est symétrique et il s'appuie sur l'hypothèse que la fixation d'une quelconque molécule de substrat (ou ligand) est indépendante de la fixation d'une autre molécule de substrat (ou ligand).

En conséquence, les constantes de dissociation microscopiques sont les mêmes pour tous les sites de fixation homologues dans chacun des 2 états (R & T).

On adopte donc la nomenclature suivante :

KT = KT0 = KTS = KTS2 = KTS3 = KTS4

KR = KR0 = KRS = KRS2 = KRS3 = KRS4

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L'entropie joue un rôle dans la coopérativité :

  • 4 possibilités pour la fixation de la première molécule de substrat
  • 1 possibilité pour la fixation de la dernière molécule de substrat

L'entropie S est donc plus élevée pour la fixation de la première molécule de substrat : S = k . log W

  • k : constante de Boltzmann
  • W : nombre d'états microscopiques possibles pour un état macroscopique donné

La première molécule de substrat doit donc surmonter une plus grande variation d'entropie que la dernière molécule de substrat : l'affinité des sites de fixation est apparemment augmentée après la fixation d'une molécule de ligand à un site de fixation. C'est la coopérativité positive qui se traduit par une sigmoïde.

 

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