Математическая биофизика клетки - Иваницкий Г.Р.
Скачать (прямая ссылка):
Интересно отметить аналогию между вторичной структурой макромолекул и стехиометрической структурой полиферментных систем: повторяющиеся взаимодействия реакций через общие кофакторы могут вызывать частичную спирализацию вторичной структуры полиферментных систем. Известными примерами этого явления служат спиральные стехиометрические структуры полиферментных систем, участвующих в синтезе и окислении жирных кислот.
На рис. 20 показана вторичная структура гликолитической системы. Как- видно из рисунка, взаимодействия четырех фосфо-трансферазных реакций вызывают спирализацию первичной структуры (выделена толстой линией).
Множество ферментативных реакций, связанных общим кофактором, образует ядро реакций. На рис. 20 показаны два ядра, образованных четырьмя фосфотрансферазными и тремя де-гидрогеназными реакциями. Благодаря таким ядрам осуществляется очень тесная связь между отдельными частями первичной структуры. Если резко изменить концентрацию глюкозы, то это вызовет следующую цепь событий: изменение скорости гексоки-назной реакции -> изменение отношения [АТФ]/[АДФ] изменение скоростей всех фосфотрансферазных реакций. Таким образом, пируваткиназная реакция, отстоящая в первичной структуре очень далеко от гексокиназной реакции, получает сигнал об изменении в первой гликолитической реакции очень быстро — одновременно с другими фосфотрансферазными реакциями.
Стоит заметить, что вторичная структура полиферментной системы может быть реконструирована на основании первичной структуры — точно так же, как и вторичная структура макромолекулы может быть предсказана исходя из ее первичной структуры.
Замечательно то, что эволюция не уничтожила более примитивные варианты стехиометрической структуры. Это позволяет
Глюкоза
Рис. 20. Вторичная, или стехиометрическая, структура гликолитической системы
] — первичная структура; 2 — взаимодействия между реакциями через общие кофакторы; Г6Ф — г.1юкозо-6-Ф; Ф6Ф — фруктозо-6-Ф; ФБФ — фруктозо-1,6-Ф2; ДГАФ — ди-гидроксиацетонфосфат; ГАФ — глицеральдегид-З-Ф; 1,3-ДФГ— 1,3-дифосфоглицерат; 3-ФГ — 3-фосфоглицерат; 2-ФГ — 2-фосфоглицерат, ФЕП—фосфоенолпируват. Пунктирной стрелкой показана АТФазная реакция
Глюкоза
Рис. 21. Вторичная структура гликолитической системы в случае, когда кофактором фосфотрансферазных реакций является неорганический пирофосфат (ПФН) или фосфат (Фн)
Обозначения те же, что на рис. 20.
проследить путь, по которому развивался клеточный метаболизм. Так, например, у некоторых микроорганизмов существуют фер-менты гликолитического пути, которые вмесю АТФ или АДФ используют неорганические полифосфаты ПФп+1 и ПФ„ соответственно (п 1 — число ортофосфатных групп в одной молекуле ноли-фосфата) [161—165]. Полифосфаты относительно легко образуются в растворе ортофосфорной кислоты в условиях, близких к тем, которые, как полагают, существовали на Земле 3 млрд. лет назад [157, 158]. Поэтому опи являются несомненными эволюционными предшественниками АТФ и других нуклеотидов, выполняющих роль переносчиков энергии в различных биохимических процессах. Имеющиеся в настоящее время энзимологические данные [161 —165] позволяют реконструировать древнюю вторичную структуру гликолитической системы так, как это показано на рис. 21. Сравнение этой древней вторичной структуры с более молодой, в которой роль переносчика энергии выполняет АТФ (см. рис. 20), показывает, что вторичная структура гликолиза сохранилась прежней, несмотря на сильное изменение химической структуры кофактора фосфотрансферазных реакций.
Третичная структура клеточного метаболизма представляет собой совокупность всех стехиометрических и нестехиометрических взаимодействий, контролирующих активности ферментов. К нестехиомегрическим взаимодействиям относятся любые изо-и аллостерические взаимодействия между ферментами и модификаторами их каталитической активности. На рис. 22 в качестве примера показана третичная структура гликолитической системы. Регуляторные связи третичной структуры, по-видимому, возникли в ходе эволюции и улучшили свойства вторичной структуры. Если это так, то в наших руках оказывается очень простой метод математического анализа полиферментных систем. Суть его состоит в следующем. Для выяснения роли многочисленных регуляторных взаимодействий третичной структуры данной поли-ферментной системы необходимо сначала изучить свойства значительно более простой и поэтому легко доступной для анализа вторичной структуры этой системы. На основании анализа вторичной структуры можно теоретически предсказать, какие нестехиометрические регуляторные взаимодействия следует внести во вторичную структуру, чтобы улучшить ее свойства. Если предсказанные регуляторные связи действительно существуют, то это указывает на то, что улучшаемое ими свойство полиферментной системы, обнаруженное на уровне вторичной структуры, так сказать, in statum nascendi, играет важную роль в функциональной организации клетки.
В последующих разделах иллюстрируется применение этого метода для анализа энергетического метаболизма.
