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Kooperativität, ein Begriff aus der Biochemie, charakterisiert die Funktion von Transportproteinen (darunter Rezeptoren) und von Enzymen, die aus mehreren Untereinheiten bestehen (so genannten „oligomeren Proteinen“).
Proteine aus mehreren ähnlichen Untereinheiten zeigen häufig das Phänomen der Kooperativität: die Bindungsstärke eines Liganden hängt davon ab, wie viele der restlichen Untereinheiten bereits einen Liganden tragen. Wird die Bindung zunehmend stärker, ergibt sich das gut untersuchte Phänomen der positiven Kooperativität. Behindern sich die Liganden gegenseitig, so dass die letzten Bindungsplätze mit niedriger Affinität eingenommen werden, folgt das weniger bekannte (aber ebenso häufige) Phänomen der negativen Kooperativität. Der erste Fall wirkt wie ein Schalter (Proteine mit Liganden an allen Bindungsstellen und Proteine ganz ohne Liganden beherrschen die Szene, teilgesättigte Proteine sind unterrepräsentiert). Im zweiten Fall ist der Bindungsgrad der Proteine gleichmäßiger und hängt von der Ligandenkonzentration ab.
Prototyp eines allosterischen Proteins mit positiver Kooperativität ist das aus vier Untereinheiten bestehende (tetramere) Hämoglobin. Im Unterschied zum monomeren Sauerstoff-Trägerprotein Myoglobin bindet Hämoglobin außer Sauerstoff (O2) noch Protonen (H+), Kohlendioxid (CO2) und Chloridionen. Die Bindungseigenschaften von Sauerstoff an das Tetramer (das in der Abbildung vereinfachend als Dimer dargestellt wird) werden vielfältig moduliert:
So erzwingen alle genannten Liganden (bis auf O2 selbst) die Abgabe von Sauerstoff, das heißt, den Übergang der hochaffinen R-Konformation in die niederaffine T-Konformation. Die nachfolgende Abbildung zeigt das Prinzip dieser Regulation: der Konformationsübergang von T (tense) zu R (relaxed) wird dadurch ausgelöst, dass der Sauerstoff das zentrale Eisenatom (Fe++, brauner Kreis) im Häm (roter Balken) in die Ebene zieht. Andere Proteingruppen Aminosäurereste folgen dieser Bewegung, wodurch Wasserstoffbrücken gebrochen und die sog. “Bohr-Protonen” (H+) sowie CO2 freigesetzt werden.
Kooperativ bindende Proteine (Carrier, Rezeptoren, Enzyme) folgen nicht dem Prinzip der Sättigungshyperbel: sie weisen entweder ein "sigmoides" (positive Kooperativität) oder ein "pseudohyperboles" Bindungsverhalten (negative Kooperativität) auf. Nur aufgrund der unauffälligen, einer Hyperbel ähnelnden Charakteristik wurde und wird die negative Kooperativität häufig übersehen.
das Phänomen der Kooperativität lässt sich nach Adair durch Funktionen beschreiben, denen zwei Km-Werte, K(1) und K(2), zukommen. Diese komplexen Funktionen lassen sich wiederum als Übergang zwischen zwei Sättigungshyperbeln (1 und 2, d. h. schwarze Kurven in der folgenden Abbildung) verstehen:
Negative Kooperativität wurde zunächst für die Bindung von NAD+ durch Glycerinaldehyd-3-phosphat-dehydrogenase (GAPDH) entdeckt.[1]
Eindeutige Hinweise auf Kooperativität findet man, wenn man die Bindungskurven den unter "Enzymkinetik" beschriebenen "Linearisierungsverfahren" unterwirft: hier ergeben sich charakteristische Abweichungen von einer Geraden – besonders augenfällig im Falle des Scatchard-Diagramms. Diese Abweichungen werden am ehesten im Hill-Diagramm nivelliert, das aber End-Äste von 45° (Steigung = 1) aufweisen würde, wenn im oberen und unteren Bereich der Substratkonzentrationen genügend Messpunkte vorlägen. Nur im Falle nH = n (maximale Kooperativität) würden diese entfallen:
Die beste Bestimmung der Kooperativitätsparameter erfolgt heute auf dem Wege der "nichtlinearen Regression" unter Verwendung
Siehe auch: Glucokinase
Mit der Hill-Gleichung kann die Kooperativität der Bindung quantitativ beschrieben werden. Dabei wird der Anteil der Sättigung der Ligandenbindungsstellen als Funktion der Ligandenkonzentration dargestellt. Der Hill-Koeffizient ist ein Maß für die Steilheit der Kurve.
mit EC90 und EC10 für die Messwerte bei 10 % bzw. 90 % der maximalen Sättigung.
Bei sigmoidalen Kurven ist der Hill-Koeffizient zu ungenau, weshalb der Response-Koeffizient verwendet wird:[2]
Der Zusammenhang zwischen Hill-Koeffizient und Response coefficient ist folgender:[3]
mit als Mittelwert der Variablen X im Bereich [a,b].
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