Biokhimia_cheloveka_Marri_tom_1 (1123306), страница 37
Текст из файла (страница 37)
гиЬгпгп В. зпЫ1и Гомосерин 1.уз ТЬг ТЬг ТЬг+ Еуз 0 и 0-С н,!ч сн + 1гн ' ОзРО 1Ч СОО О Карбамоип + 1- Асп Ртат фоефат 0 и О С Нг1Ч Сна 1 ! н С С' -Ф О Й соо Карбамоипаепщртат Рис. 10.б. Регуляция активности аспартокииазы (АК) в клетках Е.со11.
Изоформы фермента поцверга1отся избирательному иигибироваиию отдельными конечными продуктами — лизином (АК,), треоиииом (АК ) и гомоссрииом (АК„). статочно, чтобы направить метаболиты на синтез гомосерина и последующих продуктов. Переключение на этот канал биосинтеза происходит с помощью ингибирования по принципу обратной связи ферментов, участвующих в следующих звеньях пути биосинтеза. Лизин ингибирует также первый фермент в последовательности реакций, ведущих от 13- аспартилфосфата к лизину. Это облегчает неограниченный синтез гомосерина. а, следовательно, также треонина и изолейцина. Следующее место регуляции находится на участке разветвления, из которого одна ветвь ведет к метионину, а другая — к треонину и изолейцину.
О том, что рассмотренные варианты регуляции метаболизма реально функционируют, свидетельствуют данные о характере ингибирования конечными продуктами пути биосинтеза, начинаюшегося с аспартата, у различных бактерий (табл. 10.2). Наиболее полно изученный аллостерический фермент, аспартат-траискарбамоилаза, катализ ирует первую реакцию, уникальную для биосинтеза пиримидинов (рис. 10.7). Аспартат-транскарбамоилаза (АТКаза) ингибируется по принципу обратной связи цитндинтрифосфатом (СТР). После обработки ртутьсодержашими реагентами АТКаза теряет чувствительность к СТР, но сохраняет полную активность при синтезе карбамоиласпартата.
Это означает, что СТР связывается не в тех участках. где находятся центры связывания субстратов, а в специальном аллостерическом центре. АТКаза состоит из двух каталитических и трех нли четырех регуляторных протомеров. Каждый каталитический протомер содержит Таблица 10.2. Варианты аллостерической регуляции аспар- токи пазы Ингибитор, пействунпцай Реппессоп по припципу обратной связи четыре аспартатсвязываюших центра, а каждый регуляторный — по меньшей мере два СТР- связывающих (регуляторных) центра. Каждый тип протомеров находится под независимым генетическим контролем. Это было показано путем отбора мутантов, лишенных нормального контроля со стороны СТР; из этих мутантов были получены ревертанты, обладающие практически нормальными регуляторными свойствами.
Данные о существовании «ллоетернческих центров у регулиториых ферментов Примерно в 1963 г. Моно обратил внимание на отсутствие структурного сходства между ингибитором, действующим на фермент по принципу обратной связи, и субстратом этого фермента. Отсутствие изостеричности с субстратом позволяет говорить об аллостеричиости соответствующих эффекторов. Ис- Рис. 10.7. Реакция, катализ ируемая аспартат-траис- карбамоилазой (АТКазой). Ферменты: регуляция активнаети ходя из этого, Моно предположил, что ферменты, регулируемые такими аллостерическими зффекторами (в частности. ингибиторами по принципу обратной связи), связывают эффектор в аллостерическом центре„физически не совпадающем с каталитическим центром.
Таким образом, аллостерические ферменты — это ферменты, активность каталитического центра которых изменяется под действием аллостерических эффекторов, связывающихся в аллостерическом центре. Данные о наличии у регуляторных ферментов физически обособленных аллостерических центров сводятся к следующему. 1. Регуляторные ферменты после модификации химическими или физическими методами часто становятся нечувствительны к аллостерическим эффекторам, сохраняя каталитическую активность. Показана избирательная денатурация аллостерических центров при действии на ферменты ртутьсодержащих реагентов, мочевины, рентгеновских лучей, протеолитических ферментов, растворов с экстремальными значениями ионной силы или рН, при длительном хранении при 0 — 5'С, замораживании или нагревании.
2. Аллостерические эффекторы часто защищают каталитический центр от денатурации в условиях, когда субстрат такого защитного действия не оказывает. Трудно представить себе ситуацию, при которой эффектор, связываясь в каталитическом центре, защищает фермент, а субстрат такой способностью не обладает. Поэтому естественнее предположить, что эффектор связывается в другом, аллостерическом, центре фермента. 3. Обнаружены мутантные клетки бактерий и млекопитающих, в которых регуляторные ферменты имели существенно иные регуляторные свойства, чем ферменты из клеток дикого типа.
но обладали в точности такими же каталитическими свойствами. Отсюда следует„ что структура аллостерического и каталитического центров детерминируется разными участками гена. 4. Показано, что связывание субстратов и аллостерических эффекторов с регуляторным ферментом происходит независимо. 5. В некоторых ферментах (например, в АТКазе) аллостерический и каталитический центры локализованы в разных протомерах. Кииетика аллостерического ингибирования На рис. 10.8 представлены 'зависимости скорости реакции, каталнзируемой типичным аллостерическим ферментом, от концентрации субстрата в присутствии и в отсутствие аллостерического ингибитора.
В отсутствие ингибнтора наблюдается гиперболическая кривая насыщения. В его присутствии кривая приобретает сигмоидный вид; при высоких концентрациях субстрата скорость реакции может до- стигать значений. близких к тем, которые наблюдаются в отсутствие ингибитора. Обратите внимание на аналогию, которая прослеживается в этом случае с кривыми насыщения кислородом миоглобина и гемоглобина (гл. 6). По данным кинетического анализа.
ингибирование по принципу обратной связи может быть конкурентным, неконкурентным, частично конкурентным или может носить иной характер. Если при высоких концентрациях Б активность фермента примерно одинакова в присутствии и в отсутствие аллостерического ингибитора„то кннетика внешне сходна с кинетикой конкурентного ингибирования. Однако, поскольку кривая насыщения субстратом все-таки носит сигмоидный, а не гиперболический характер, метод построения графиков в обратных координатах для аллостерических ингибиторов непригоден; он предложен для конкурентного ингибирования в каталитическом центре.
Поскольку аллостерические ингибиторы связываются с ферментом в другом (аллостерическом) центре, исходная кинетическая модель утрачивает силу. Сигмоидный характер зависимости 1' от [81 в присутствии аллостерического ингибитора обусловлен эффектом кооперативности. При низких концентрациях 5 активность в присутствии ингибитора существенно ниже, чем в его отсутствие. Однако при увеличении [Я ингибирующее действие становится менее выраженным.
Такая же кинетика наблюдается. когда имеются два или больше взаимодействующих субстратсвязывающих центра: присутствие молекулы субстрата в одном каталитическом центре облегчает связывание молекулы второю субстрата в другом центре. Кооперативность связыва- Рнс. 10.8. Сигмондняя кинетическая кривая насьплення суб- стратом в присутствии яллостернческого ннгнбнтора. Глава 1О ния субстратов была описана в гл. 6 на примере гемоглобина. Сигмоидный характер кривой насыщения гемоглобина кислородом обусловлен кооперативными взаимодействиями четырех связывающих О, центров, локализованных в разных протомерах.
Модели аллостерни Попытки описать кинетику аллостерического ингибирования как «конкурентную» или «неконкурентную» по отношению к субстрату основаны на чисто механической аналогии, которая может ввести в заблуждение. Поэтому мы будем говорить о двух классах регуляторных ферментов — ферментах К- ряда и ферментах Ч-ряда. Насыщение субстратом аллостернческих ферментов К-ряда выглядит как конкурентный процесс в том смысле, что К„„ увеличивается (уменьшается сродство к субстрату), и при этом значение (' „никак не изменяется.
В случае аллостерических ферментов У-ряда уменьшается )' „„(снижается каталитическая эффективность), но кажущееся значение К„остается неизменным. Изменения К„или ~' .„, по всей вероятности, обусловлены конформационными изменениями в каталитическом центре, вызванными связыванием аллостерического ингибитора в аллостерическом центре. В аллостерических ферментах К-ряда эти конформационные изменения приводят к ослаблению связи между субстратом и субстратсвязывающими остатками. В аллостерических ферментах У-ряда основной эффект заключается в изменении ориентации каталитических остатков, что приводит к понижению Г'„,„. Однако могут наблюдаться и промежуточные случаи, когда конформационные изменения сказываются и на К, и на ~' „„.
Для описания регуляции аллостерических ферментов были предложены различные модели, однако вряд ли можно выбрать какую-го одну, способную объяснить поведение всех регуляторных ферментов. Поскольку сигмоидный характер кривой насыщения субстратом влечет за собой определенные регуляторные преимущества, любая мутация, приводящая к сигмоидной кривой насыщения, будет иметь тенденцию к закреплению в популяции. Едва лн можно ожидать, что все эти мутации детерминируют один и тот же механизм ингибирования. Поэтому сигмоидность кинетики еше ничего не говорит о механизме ингибирования.
Физиологические последствия кооперативности Кооперативность связывания субстратов приводит к таким же последствиям, как и кооперативность связывания О, гемоглобином. При низких концентрациях субстрата аллостерический эффектор является мощным ингибнтором. Он, следовательно, оказывает наиболее эффективное регулирующее воздей- ствие как раз тогда, когда в нем имеется наибольшая необходимость: при низких внутриклеточных концентрациях субстрата. По мере повышения концентрации субстрата необходимость в строгой регуляции уменьшается, поэтому степень ингибирования понижается, что приводит к образованию большего количества продукта. По аналогии с гемоглобином сигмоидная кривая насыщения субстратом в присутствии ингибитора означает, что относительно малые изменения концентрации субстрата влекут за собой большие изменения активности.
Это обеспечивает тонкую регуляцию каталитической активности при малых изменениях концентрации субстрата. Наконец, как и при насыщении кислородом гемоглобин ов разных видов животных, для регуляторных ферментов из разных источников сигмоидные кривые насыщения могут быть сдвинуты влево или вправо, это обеспечивает лучшее соответствие тем концентрациям субстрата, которые преобладают (и что. Регуляция по принципу обратной связи в клетках млекопитающих В клетках млекопитающих, так же как и в бактериальных клетках, конечные продукты регулируют свой собственный синтез по принципу обратной связи. В некоторых случаях (в частности, в случае АТКазы) ингибирование по принципу обратной связи направлено на первый из ферментов биосинтетической цепи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
