Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

9.3. Аллостерические ферменты. Кооперативность

Среди ферментов особое место занимают ферменты, обладающие четвертичной структурой, т. е. состоящие из нескольких субъединиц, каждая из которых может проявлять каталитические свойства. В этом случае присоединение субстрата к одной или нескольким субъединицам изменяет свойства активных центров других субъединиц. Следовательно, сами молекулы субстрата оказывают регулирующее (аллостерическое) действие на молекулу фермента. Поэтому такие ферменты называются аллостерическими.

Аллостерический эффект представляет собой важнейший механизм обратной связи на молекулярном уровне. Возможно, аллостерическими свойствами обладают функциональные белки биологических мембран и сократительные белки.

Согласно современным представлениям, в основе аллостерических эффектов лежит возможность передачи конформационных изменений вдоль белковых молекул. Выяснение на молекулярном уровне характера таких изменений и возможностей их передачи без нарушений со стороны теплового движения является одной из центральных эадач биофизических исследований.

Классическим примером аллостерических изменений конфигурации белковой молекулы при присоединении лигандов является молекула гемоглобина (см. п. 9.1).

Аллостерический эффект обычно связан с неоперативностью каталитического действия фермента. Известно три типа конформационных изменений фермента при присоединении субстрата.

1. Первая молекула субстрата изменяет субъединицу фермента, к которой она присоединена, но не изменяет других субъединиц, поэтому они присоединяют субстраты так же, как и первая. В этом случае отсутствует кооперативное действие. Зависимость числа N (С) катализируемых субстратов от их концентрации изображается гиперболической кривой

2. Первая молекула субстрата, иэменяя конформацию первой субъединицы, изменяет и конформацию соседних так, что они становятся более восприимчивы к присоединению и катализу субстрата, чем первая. Присоединение второго субстрата еще более усиливает такую восприимчивость и т. д. в зависимости от числа субъединиц в ферменте.

В этом случае зависимость числа катализируемых субстратов N (С) от их концентрации изображается -образной кривой

Следовательно, фермент проявляет положительную кооперативность.

3. Первая молекула субстрата, присоединяясь к одной из субъединиц фермента, вызывает конформационное изменение, которое индуцирует в других субъединицах изменения активных центров, делающие их менее привлекательными для субстратов. Следовательно, присоединение других молекул субстрата менее благоприятно, чем первой молекулы. Зависимость числа катализируемых субстратов от их концентрации изображается кривой

Рис. 20. Три типа кооперативности ферментов; кривые соответствуют положительной и отрицательной кооперативности фермента; кривая N характеризует действие фермента, не проявляющего кооперативности.

В этом случае говорят, что фермент обладает отрицательной неоперативностью [179].

Отрицательная неоперативность впервые была обнаружена Конвеем и Кошландом в 1968 г. при исследовании фермента, глицеральдегид-3-фосфат дегидроденазы. Позднее отрицательная неоперативность была обнаружена и у других ферментов. На рис. 20 изображены три кривые, характеризующие процент насыщения N ферментов субстратами в зависимости от их концентрации. Из рисунка следует, что при изменении концентрации в два раза (от 1 до 2) в случае положительной кооперативности полное насыщение фермента изменяется от 12 до 78%, при отрицательной кооперативности — от 48 до 60%, а при отсутствии кооперативности — от 40 до 68%.

Особенно большой положительной кооперативностью обладает фермент, преобразующий уридинтрифосфат (УТФ) в цитидинтрифосфат (ЦТФ). Он состоит из четырех субъединиц. Изменение концентрации субстрата в 1,5 раза изменяет его уровень активности от 10 до 90%. С другой стороны, ферменты с отрицательной кооперативностью весьма мало чувствительны к изменению окружающей среды.

В нескольких случаях фермент обладает несколькими активными центрами для катализа разных субстратов. Так, например, исследуя фермент СТР-синтетазу, Ливитский и Сталлкан в Калифорнийском университете обнаружили, что каждая его субъединица имеет активные центры для присоединения трех субстратов: уридинтрифосфата (УТФ), аденозинтрифосфата (АТФ) и глутамина. Кроме того, имеется также место для присоединения активатора — молекулы гуанозинтрифосфата (ГТФ).

Молекула ГТФ активирует фермент путем повышения эффективности реакционного центра глютамина на той же субъединице. Одновременно происходит дезактивация ГТФ активного центра на другой субъединице. При этом активные центры для субстратов АТФ и УТФ своей субъединицы остаются неизменными. Таким образом, эффект присоединения глютамина проявляется на

расстояниях 40—60 Д и не вызывает изменения расположенных на расстоянии 4—5 А других активных центров [179].

Фермент ЦТФ-синтетаэа проявляет большую положительную кооперативность по отношению к субстратам АТФ и УТФ. Присоединение первой молекулы АТФ изменяет форму молекулы так, что последующие молекулы АТФ присоединяются очень быстро. В связи с этим можно обнаружить только свободные ферменты и ферменты, присоединившие четыре молекулы АТФ. Эта положительная кооперативность указывает, что фермент очень чувствителен к малым изменениям количества молекул АТФ. Наоборот, активатор — молекула ГТФ — вызывает конформационные изменения, приводящие к отрицательной кооперативности. Следовательно, фермент мало чувствителен к большим флуктуациям концентраций ГТФ в окружающей среде. Полная нечувствительность могла бы привести к синтезу молекул ЦТФ в отсутствии активатора ГТФ. Это нежелательно, так как обе молекулы ЦТФ и ГТФ необходимы для синтеза молекул РНК. Таким образом, свойство кооперативности позволяет повысить и понизить чувствительность ферментов по отношению к некоторым субстратам, активаторам и ингибиторам.

Параллелизм между активаторами и ингибиторами и положительной и отрицательной кооперативностью не должен затемнять их дополнительную роль. Активатор включает действие фермента, ингибитор его выключает. Кооперативность обусловливает повышение и ослабление чувствительности фермента к изменению числа этих регуляторов. По отношению к активаторам ферменты могут не иметь кооперативности или иметь положительную или отрицательную кооперативность. То же справедливо по отношению к ингибиторам и субстратам.

Все виды контроля в биологических системах осуществляются ферментами, антителами, рецепторами и другими молекулами, в состав которых входят белки. Во всех этих случаях процесс регуляции непосредственно связан с конформационными изменениями молекул.

Несмотря на исключительную важность ферментативного катализа, аллостерического эффекта и. явления кооперативности в биологических процессах, теоретическое описание этих явлений на молекулярном уровне еще отсутствует. В большинстве современных моделей, рассматривающих взаимодействие белков с лигандами, используется феноменологическое термодинамическое описание. Оно относится только к равновесным состояниям и не объясняет явлений на молекулярном уровне.

В теоретических исследованиях Ваймана, например, рассматривается равновесие нескольких молекул одного или большего числа лигандов s, которые могут присоединиться к белковой молекуле, имеющей несколько мест присоединения. Проводится

теоретическое вычисление функции насыщения Y, молекулы лигандом типа s. Под функцией насыщения понимается равновесное число лигандов, присоединившихся к молекуле. Иногда теория обобщается на случай, когда белковая молекула может иметь несколько конфигураций. Однако в теории не делается явных предположений ни о природе этих конфигураций, ни о характере взаимодействия лигандов с молекулой.

Используемое в теории статистическое описание требует отказа от индивидуализации элементов ансамбля. При этом, однако, теряется возможность исследования многих физиологических свойств биологических систем, которые, как правило, весьма гетерогенны. Их биологические функции существенно зависят от состава и пространственного расположения отдельных элементов, между которыми действуют весьма разнообразные силы.

Скорость реакций, катализируемых ферментами, зависит от концентрации фермента, субстрата и необходимых регуляторов (кофакторов). Для повышения скорости катализа в клетке высокая концентрация метаболитов поддерживается не во всей клетке, а в отдельных ее отсеках, где происходят реакции.

Если несколько ферментов катализируют цепь реакций, в которой продукт первой реакции служит субстратом для второй и т. д., то говорят, что эти ферменты образуют мультиферментную систему. В этом случае повышение скорости катализа обеспечивается тем, что ферменты присоединяются к мембране на возможно меньшем расстоянии. К мультиферментам относятся различные системы транспорта электронов (цепь дыхательных ферментов, цепь ферментов, осуществляющих перенос электронов при фотосинтезе, ферменты, осуществляющие биосинтез некоторых липидов и т. д.).

Пространственная близость соседних компонентов мультиферментных систем имеет особое значение в тех случаях, когда в реакциях образуются нестабильные промежуточные продукты. Например, в процессе транспорта электронов по дыхательной цепи митохондрий образуются свободные радикалы, такие как семихиноны. В свободном виде в растворе семихиноны существуют очень малое время, поэтому уменьшение расстояния, проходимого при их диффузии, крайне важно.

Многие ферменты связаны с внутренней или внешней поверхностью мембраны. Они катализируют реакции, целиком протекающие по одну сторону мембраны. Имеются также ферменты, проходящие черев всю толщу мембраны. Они принимают субстрат на одной стороне мембраны и выделяют продукт на противоположной стороне. Такие ферменты называются векторными. Вследствие ограниченной проницаемости мембраны векторные ферменты обеспечивают образование концентрационных градиентов. Примером такой системы является -АТФаза плазматических

мембран, вызывающая векторное движение ионов в противоположных направлениях, если на внутренней стороне мембраны имеются ионы , АТФ и , а на наружной поверхности мембраны . Уабаин ингибирует эту реакцию только со стороны внешней поверхности мембраны.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление