Том 1 (1129743), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Они способны принимать две и более слегка разнящиеся конформации,и переход из одной в другую, вызванный связыванием лиганда, может изменитьих активность. Это верно не только для ферментов, но также и для многих другихбелков, в том числе рецепторов, структурных белков и моторных белков. Во всехслучаях аллостерической регуляции каждая из конформаций белка характеризуется несколько отличающимися очертаниями поверхности, так что присущие белкуучастки связывания лигандов изменяются, когда белок изменяет форму. Болеетого, о чем мы еще скажем позже, каждый лиганд стабилизирует ту конформацию,в которой его связывание наиболее сильно, и, таким образом, — при достаточноГлава 3. Белки 291высоких концентрациях — будет стремиться «переключить» белок в ту конформацию, которую предпочитает.3.2.17. Два лиганда, участки связывания которых сопряжены, оказывают взаимное влияние на связывание с этим ферментомВоздействие связывания лиганда на белок проистекает из фундаментальногохимического принципа, известного как взаимосвязь, или сопряжение.
Предположим, например, что некоторый белок, который связывает глюкозу, связываеттакже и другую молекулу X на участке, расположенном на каком-то расстоянииот глюкозосвязывающего. Если участок связывания молекулы X изменяет своюформу как часть конформационного изменения, вызванного связыванием глюкозы,то участки связывания молекул X и глюкозы, как говорят, сопряжены.
Как следуетиз основных начал термодинамики, если два лиганда предпочтительно связываются с одной и той же конформацией аллостерического белка, то каждый из этихлигандов должен увеличивать сродство данного белка ко второму лиганду. Такимобразом, если переход белка на рис. 3.58 в замкнутую конформацию, которая связывает глюкозу наилучшим образом, обусловливает также и лучшее соответствиеХ-участка связывания молекулам X, то при наличии молекул Х такой белок будетсвязывать глюкозу сильнее, чем в их отсутствие.И наоборот, механизм сцепления развивается по негативному сценарию, еслидва лиганда предпочитают связываться с различными конформациями одного итого же белка. В таком случае связывание первого лиганда препятствует связыванию второго лиганда.
Таким образом, если изменение конформации, вызванноесвязыванием глюкозы, уменьшает сродство белка к молекуле X, то связываниемолекулы X будет тоже снижать сродство белка к глюкозе (рис. 3.59). В количественном отношении действие двух сопряженных лигандов тоже взаимосвязано,так что, например, если глюкоза оказывает очень сильное влияние на связываниевещества X, то вещество X очень сильно влияет на связывание глюкозы.Зависимости, представленные на рис. 3.58 и 3.59, относятся ко всем белкам,и лежат в основе всей клеточной биологии.
В ретроспективе, в которой мы теперьвоспринимаем их как нечто само собой разумеющееся, они кажутся вполне очевидными. Но открытие сопряжения в ходе изучения нескольких ферментов в 1950-х гг.,за которым последовал всесторонний анализ аллостерических механизмов в белкахв начале 1960-х, произвело революционный эффект в нашем понимании биологии.Поскольку молекула X в этих примерах связывается с ферментом на некоторомучастке, который отделен от участка, где происходит катализ, она может бытьпредставлена любым веществом и не «состоять в родственной связи» – в химическом отношении – с глюкозой или любым другим лигандом, который связываетсяс этим ферментом в активном участке.
Более того, как мы только что убедились,для ферментов, которые регулируются подобным образом, молекула X может либо«включать» фермент (положительная регуляция), либо «выключать» его (отрицательная регуляция). Благодаря такому механизму аллостерические белки служатглавными переключателями, которые, в принципе, позволяют какой-либо одноймолекуле в клетке влиять на метаболическое будущее любой другой молекулы.292Часть 1.
Введение в мир клеткиРис. 3.58. Положительная регуляция, обусловленная конформационным сопряжением между двумя разнесенными в пространстве участками связывания. В данном примере и глюкоза, и молекула Xсвязываются лучше всего с замкнутой конформацией некоторого белка, состоящего из двух доменов.Поскольку и глюкоза, и молекула X побуждают белок принять замкнутую конформацию, каждый излигандов способствует связыванию другого. Глюкоза и молекула X, как говорят, кооперативно связываются с белком.3.2.18. Симметричные белковые комплексы создают кооперативные аллостерические переходыОдносубъединичный фермент, который регулируется отрицательной обратнойсвязью, в ответ на 100-кратное увеличение концентрации ингибирующего лиганда,с которым он связывается, может самое большее снизить активность с 90 % до приблизительно 10 (рис. 3.60, красная линия). Вполне очевидно, что отклика такогоуровня недостаточно для оптимального управления клеткой, и большинство ферментов, которые включаются или отключаются посредством связывания лиганда,образовано симметричными комплексами, состоящими из идентичных субъединиц.При таковой организации связывание молекулы лиганда на единственном участкеодной субъединицы может обусловить аллостерическое изменение во всей сборке,которое помогает соседним субъединицам связывать тот же лиганд.
В результатепроисходит кооперативный аллостерический переход (рис. 3.60, синяя линия),позволяющий при относительно малом изменении концентрации лиганда в клеткепереводить весь ансамбль белков из почти полностью активной конформации впочти полностью неактивную форму (или наоборот).Принципы, лежащие в основе кооперативного перехода (осуществляющегосяпо правилу «все или ничего»), одинаковы для всех белков, будь то ферменты илинет.
Но эти принципы, возможно, легче всего наглядно продемонстрировать на примере фермента, который образует симметричный димер. В примере, показанном нарис. 3.61, первая молекула ингибирующего лиганда связывается с большим трудом,так как ее связывание нарушает энергетически благоприятное взаимодействие междудвумя идентичными мономерами в димере. Однако после этого вторая молекулаингибирующего лиганда связывается легче, потому что ее связывание восстанавливает энергетически благоприятные мономер-мономерные контакты в симметричномГлава 3.
Белки 293Рис. 3.59. Отрицательная регуляция, обусловленная конформационным сопряжением между двумяразнесенными в пространстве участками связывания. Представленная здесь схема напоминает таковую на предыдущем рисунке, но здесь молекула X предпочитает открытую конформацию, тогда какглюкоза отдает предпочтение замкнутой конформации. Поскольку глюкоза и молекула X побуждаютбелок принять противоположные конформации (соответственно замкнутую и открытую), присутствиекакого-либо из лигандов мешает связыванию другого.димере (в результате этих процессов фермент полностью инактивируется).В качестве альтернативы такой модели кооперативного аллостерическогоперехода по типу вынужденного соответствия мы можем рассматривать такойсимметричный фермент, как имеющий только две возможные конформации, соответствующие структурам «фермент работает» и «фермент не работает», какэто показано на рис.
3.61. Согласно такому представлению, связывание лигандавозмущает равновесие типа «все или ничего» между этими двумя состояниями,посредством чего изменяет долю активных молекул. Обе модели представляютистинную и удобную в использовании концепцию; вот эту вторую модель мы иопишем в очередном пункте.3.2.19. Аллостерический переход в аспартаттранскарбамоилазеизучен с точностью до отдельных атомовОдним из ферментов, применявшихся в ранних исследованиях аллостерической регуляции, была аспартаттранскарбамоилаза, получаемая из E. coli.
Онакатализирует важную реакцию, с которой начинается синтез пиримидинового кольца нуклеотидов C, U и T: карбамоилфосфат + аспартат → N-карбамоиласпартат.Один из конечных продуктов этого пути, цитозинтрифосфат (CTP), связывается сферментом, чтобы выключить его, всякий раз, когда концентрация CTP достигаетопределенного порога.Аспартаттранскарбамоилаза представляет собой крупный комплекс из шестирегуляторных и шести каталитических субъединиц.
Каталитические субъединицы образуют два тримера, каждому из которых придана форма равностороннего294Часть 1. Введение в мир клеткиРис. 3.60. Активность фермента в зависимости от концентрации ингибирующего лиганда: для ферментаиз одной субъединицы и многосубъединичных аллостерических ферментов. В случае фермента изодной-единственной субъединицы (красная линия) для снижения его ферментативной активности с 90до 10 % (отмечены двумя точками на кривой) требуется увеличение концентрации ингибитора в 100 раз.Активность фермента вычисляется из простого отношения равновесия K = [IP]/[I] [P], где P — активныйбелок, I — ингибитор, а IP — неактивный белок, связанный с ингибитором.
Такая же кривая будет отражать характер любого простого взаимодействия типа связывания между двумя молекулами: А и B.В противоположность первому, многосубъединичный аллостерический фермент может откликатьсяна изменение концентрации лиганда по типу «переключателя»: крутой участок кривой соответствуеткооперативному связыванию молекул лиганда, которое поясняется на рис. 3.61. Здесь зеленая линияпредставляет идеализированный результат, ожидаемый от кооперативного связывания двух ингибирующих молекул лиганда с аллостерическим ферментом из двух субъединиц, а синяя линия показываетидеализированный «отклик» для фермента из четырех субъединиц. Как отмечено двумя точками накаждой из кривых, для более сложных ферментов снижение активности с 90 до 10 % происходит вгораздо более узком диапазоне концентраций ингибитора, чем для фермента, состоящего из однойединственной субъединицы.треугольника; эти два тримера смотрят друг на друга и удерживаются в должномположении тремя регуляторными димерами, которые образуют своеобразный мостмежду ними.
Вся молекула в целом подготовлена к осуществлению слаженного,отвечающего принципу «все или ничего» аллостерического перехода между двумяконформациями, обозначаемыми буквами T (напряженное) и R (ненапряженное)состояния (рис. 3.62).Связывание субстратов (карбамоилфосфата и аспартата) с каталитическимитримерами переводит аспартаттранскарбамоилазу в каталитически активное состояние R, что сопровождается диссоциацией регуляторных молекул CTP. И наоборот, связывание CTP с регуляторными димерами переводит фермент в неактивноесостояние T, и тогда происходит диссоциация субстрата. Такое «перетягиваниеканата» между CTP и субстратами по своему принципу тождественно описанномунами ранее «противоборству» на рис. 3.59 – на примере более простого аллостерического белка. Но поскольку подобного рода конкуренция развивается в симметричной молекуле с многочисленными участками связывания, фермент подвергаетсякооперативному аллостерическому переходу, который внезапно включает его принакоплении субстратов (переводя его в состояния R) или быстро отключает, еслископится большой объем CTP (переключая его в состояние T).Глава 3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
