Э. Фёршт - Структура и механизм действия ферментов (1128692), страница 42
Текст из файла (страница 42)
МаллИете Н. О., Зсаелса Н., Ооойу П. 5., Еиг. Л. В(осЬст., 48, 287 (1974). 67. Гро!соП Н. О., Боуег Р., Л. Зиргапю!еси!аг 5!гис(иге, 3, 154 (1975). Глава КООПЕРАТИВНОЕ СВЯЗЫВАНИЕ ЛИГАНДОВ И АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ А. Положительная кооперативность Молекулы многих белков состоят из субъединиц и имеют несколько центров связывания лигандов. В ряде случаев кривые связывания лигандов не следуют уравнению Михаэлиса — Ментен (глава 6, равд, Г), а имеют сигмоидный характер. Кривая такого рода представлена на рис. 8.1; оиа отражает зависимость степени насыщения гемоглобина кислородом от давления кислорода. Здесь же для сравнения приведена гипербола, описываемая уравнением типа уравнения Михаэлиса — Ментен, которая отражает связывание кислорода миоглобином.
Сигмоидные кривые характерны для случая кооперативного связывания лигандов белками, имеющими несколько центров связывания в белковом олигомере. Так, например, молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей, каждая из которых сходна с единственной полипецтидной цепью миоглобина. Кривую связывания кислорода гемоглобином можно описать уравнением, содержащим четыре константы последовательного связывания (уравнение Эдера [Ц ). Удивительная особенность процесса кооперативного связывания состоит в том, что сродство гемоглобина к четвертой присоединяемой молекуле кислорода в несколько сот (до тысячи) раз превышает сродство к первой молекуле. Это увеличение сродства нельзя объяснить, исходя из наличия четырех невзаимодействующих центров, обладающих просто разным сродством к кислороду. В этом случае центры с высоким сродством к кислороду заполнялись бы первыми и молекула с частично заполненными центрами связывания обладала бы меньшим сродством, чем дезоксигемоглобин. Увеличение сродства по мере насыщения гемоглобина кислородом является результатом взаимодействия связывающих центров, приводящим к тому, что связывание молскулы кислорода с одним центром вызывает увеличение сродства другого.
Аналогичными кооперативными свойствами обладает и ряд ферментов. Здесь также зависимость п от [8[ изображается сигмоидными кривыми. Обычно эти ферменты ответственны за коопердтивнои связывании лигдндов 253 регуляцию и контроль метаболических процессов, и их активность регулируется по принципу обратной связи. Терминология, используемая при рассмотрении вопросов кооперативности, заимствована из области исследования процессов регуляции [2].
)оп Ьч " дп К й бп ез $4О н о ао по бп во упп 1 1 Веноунее Оледенив фее)млгиюе Плазм)не ров ммдлз еиа Рис. 3.1. Связывание кислорода гемоглобином (1) и миоглобином ([1). Ферменты с описанными выше свойствами называются аллостеричесдими (от греч. аПов — другой, з(егеоз — пространство), Таблица пд Константы Эдера (мм ) Ня) длп присоединения Оз и гемоглобину при 26 'С, рн 7,4 н 0,1 М Нас!а) б) зд-дибюсфоглицерат, мм Ка к) ') тупюа 1., Ь а) К., ЗЬЬпип К., В[авдею[в[ге, М. ММ Ита).
б) уравиеиие здера описывает следующиа процесс: ко о к.о Кз, Оз к,о, НЬ и===и НЬОЗ ~ НЫОЗ)З Ч===» НЫОЗ)З и=:~ НЫО,)ь где [НЬОз1 [НЬ [Оз)з] [НЫ [Чз) ' К' тНЬоз) [бз) ГЛАВА з поскольку аллостерический эффектор (ингибитор или активатор) обычно структурно отличен от субстрата и связывается с центром, расположенным в другом месте белковой молекулы, чем активный центр. Взаимодействия между идентичными молекулами субстрата называют гомогропными, а взаимодействия между аллостерическими эффектором и субстратом — ггггротропными. Б.
Механизмы аллостерических взаимодействий и кооперативности Первые попытки объяснить механизм кооперативности были предприняты при исследовании свойств гемоглобина. Чтобы лучше понять смысл этих работ, рассмотрим структуру дезокси. и оксигемоглобина. Молекула гемоглобина состоит из двух пар цепей, я и р, расположенных в пространстве таким образом, что образуется симметричный тетраэдр. Гемы, являющиеся центрами связывания кислорода, располагаются достаточно далеко друг от друга и непосредственно не взаимодействуют. При оксигенации дезоксигемоглобина тетраэдрическая симметрия сохраняется, а в четвертичной и третичной структуре наблюдаются изменения 1рис.
8.2) 131. Из опытов по измерению констант связывания известно, что дезоксигемоглобин характеризуется низким сродством к кислороду, тогда как оксигемоглобин— высоким. 1. Механизм Моно — Уаймена — Шанже [41 Моно, Уйамен и Шанже предложили изящное объяснение кооперативности, приняв, что небольшая часть дезоксигемоглобина находится в виде четвертичной окон-структуры, которая связывает кислород более прочно. При присоединении одного моля кислорода концентрация окси-структуры возрастает, по.
скольку кислород предпочтительно связывается именно с этой структурой. Связывание достаточно большого числа молекул кислорода приводит к тому, что окси-форма становится преоб. падающей формой гемоглобина в растворе, и последующее связывание кислорода облегчается. Чтобы упростить соответствующие математические выражения и сделать более ясным их физический смысл, авторы предположили, что четвертичная структура молекулы гемоглобина всегда сохраняет свою симметрию; данная молекула, присоединившая некоторое количество кислорода, находится либо в окси-, либо в дезокси-состоянии; смешанные состояния невозможны, По этой причине модель КООПЕРАТИВНОЕ СВЯЗЫВАНИЕ ЛИГАНПОВ Моно и др.
часто называют «согласованной» моделью, построенной по принципу «все или ничего», или моделью «двух состоя. ний», Рис. 8.2. Модели оксигемоглобииа (А) и дезокснгемоглобина (Б), выполнен. ные нз бальзового дерева. Гемы изображены в виде дисков. Обратите анима. иие на увеличение расстояния между ()-пепями при дезоксигенапии. Эта модель применима и к другим аллостерическим белкам при следуюп(их предположениях. а. Рассматриваемые белки являются олигомерами. б, Моле.
кула белка находится в одном из двух конформационных состоя- ГЛАВА В 256 ний: Т((епзе, «напряженном»)-состоянии, которое преобладает, когда белок не связан с лигандами, или й(ге(ахег(, «расслабленном»)-состоянии Формы белка, соответствующие разным состояниям, находятся в равновесии. Указанные состояния различаются энергетически и по числу связей между субъединицами. в. Форма белка, соответствующая Т-состоянию, обладает меньшим сродством к лигандам. г. В каждом состоянии все центры связывания эквивалентны и имеют одинаковые константы связывания лигандов (предположение симметрии).
Рис. 8.3. Модель Моно, Уаймена н Шанже сваливания лигандов тет. рамернмм белком. я-амяг«сняв 1сос ясллис Сигмоидную кривую связывания можно построить, используя лишь три параметра: с. — аллостерическую константу, равную отношению концентраций двух состояний свободного фермента [Т[/[ц], Кт и Кя — константы диссоциации для каждого центра в Т- и )т-состояниях соответственно. Регуляция активности фермента с помощью аллостерических взаимодействий Первым достижением теории Моно и др. было построение теоретической кривой связывания на основе трех параметров— Ь, К„и Кт, которая с большой точностью совпала с экспериментально полученной кривой связывания кислорода гемоглобином. Но еше более впечатляющим было предложенное этой теорией очень простое объяснение механизма регуляции.
Моно. Уаймен и Шанже утверждали, что сигмоидный характер зависимости пот [Я в отсутствие аллостерических активаторов и ингибиторов свойствен всем аллостерическим ферментам. Они указывали, что АЗ+ Щ 4Г ЗБтЩ 4т гЬ4- Щ , Я~ Щ Я+45 ~28 + зй 4г Я~ +25 Я е5 КООПЕРАТИВНОЕ СВЯЗЫВАНИЕ ЛИГАНДОВ если эта сигмоидность обусловлена кооперативным связыванием и существованием г( Т равновесия, то регуляцию можно объяснить изменением под действием эффектора отношения [Ц/[Т[ путем предпочтительной стабилизации одной из этих форм.
Активатор связывается с 4(-формой и увеличивает ее концентрацию; ингибитор предпочтительно связывается с Т-формой и таким образом затрудняет переход в Й-состояние. ч ЛМР и 2 Ю ЬЛТР3, мМ +ГПР ЬРЕРЬ згм В предельном случае активатор смещает равновесие между )(- и Т-формами в такой степени, что преобладает Й-состояние, кооперативность исчезает и выполняется кинетика Михаэлиса— Ментен, что и подтверждается экспериментально для ряда ферментов (рис. 8.4). Согласно модели Моно и др., присоединение ингибитора к ферменту, который связывает субстраты по кооперативному механизму, должно происходить некооперативно, поскольку ингибитор присоединяется к преобладающему Т-состоянию, Для активаторов, присоединяющихся к ансамблю связывающих центров в )х-состоянии, должно наблюдаться кооперативное связывание. Рис. 8.4.
Исчезновение положительной кооперативности при присоединении аллостерических эффекторов к некоторым ферментам. Обратите внимание на очень сильное увеличение ферментативной активности при низких концентрациях субстрата (фосфоенолпнпувата) при добавлении АМР к изоцитратдегидрогеназе (А), дСОР к дезокситимидинкиназе (Б) и Р(ЗР к пируваткиназе (В), показывающее, как можно «включить» фер.
мент с помощью аллостерического эффектора. (Наьнамау 3. А., Аы Ыпзоп (З. Е. Д Ыо!. СЬев., 238, 2875 (1963); 01гахам к., КогпЬегя А. 3. Ь!о1. СЬев., 239, 276 (1964); Наесйе! и., Незз В., Ьап(егьогп %., %йгз(ег К.-Н, Йоррезеу1ег'а 2. рьузю!. СЬещ., 349, 699 (1968).1 Дд 64 63 ~йзацитраа(У, мМ л +г(СВР глзах в Наиболее слабым местом теории Моно и др. является допущение о симметрии. Использование минимального числа промежуточных состояний приводит к тому, что модель становится лишь неким приближением к действительности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
