Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Рассмотренные выше общие представления о ферментативном катализе обладают рядом недостатков. В первую очередь упускается из виду, что большинство ферментов функционируют как олигомерные структуры, состоящие из идентичных субъединиц и обладающие пространственной симметрией. Кроме того за исключением немногих работ [41, 119. 136], недооценивается
роль систем водородных связей в этих структурах. Причем авторы последних работ, в свою очередь, не учитывают возможность взаимосвязи таких систем из различных субъединиц через область контакта, где, как мы видели в разд. 4.2.2, такие взаимосвязи возможны. Наконец, последнее, что необходимо отметить, данные подходы являются неэволюционными, поскольку не позволяют проследить становление этих механизмов в процессе формирования ферментов.
5.1.2. Подходы, учитывающие олигомерную организацию
ферментов
В современной литературе вопросам функционирования олигомерных ферментов уделяется большое внимание. Уже в работах Кошланда, на основе концепции «конформационной подвижности белков» [53], развитой в принцип «индуцированного соответствия», предложена модель работы олигомерных ферментов [104]. При этом используется идея о глобальной передаче конформационных изменений путем межсубъединичных взаимодействий. Модель Кошланда и др. основана на следующих постулатах: в отсутствие лиганда белок существует в одной конформации; лиганд, связываясь с субъединицей белка, вызывает в ней конформационное изменение, которое может передаваться на соседнюю субъединицу. Для описания связывания необходимо вводить столько констант, сколько существует центров связывания. В некоторых случаях это усложняет интерпретацию наблюдаемых экспериментальных данных. Однако, в принципе, аксиоматика этой модели такова, что кинетика практически любых олигомерных ферментов, для которых справедливо допущение о «квазиравновесном связывании субстрата», может быть описана на ее основе. В зависимости от .количества субъединиц и схемы взаимодействия между ними, модель допускает спектр состояний как лишенных симметрии, так и имеющих симметрию более низкого порядка по сравнению с максимальной, наблюдаемой у свободного фермента.
В основе модели Моно и др. [121] лежат такие предположения: белки являются олигомерами; молекула белка находится в одном из двух состояний — Т (напряженном) и R (расслабленном). Формы белка находятся в равновесии, причем состояния R и Т различаются энергетически и по числу связей между субъединицами; форма Т обладает большим сродством к ингибиторам, a R — к активаторам; в каждом состоянии все центры связывания эквивалентны и имеют одинаковые константы связывания лигандов (принцип симметрии).
Постулат о сохранении пространственной симметрии при спонтанных изменениях конформации сразу всех субъединиц в олигомере существенно отличает ее от модели [104] и позволяет использовать для описания кинетического поведения некоторых
ферментов лишь три константы. Однако эта модель не смогла предсказать, как это сделано в работе [104], такую особенность кинетики ферментов как отрицательная кооперативность. Неполнота модели привела к появлению гибридных ее вариантов, объясняющих, в частности, отрицательную кооперативность на основе допущения «псевдоконсервативных» переходов и существования четвертичной структуры как с максимальной, так и с субмаксимальной симметрией [160].
Предложено довольно большое количество теоретических моделей для кинетического описания явления отрицательной кооперативности. Однако нас интересуют в первую очередь модели, в которых предпринята попытка представить процессы, происходящие на уровне взаимодействия субъединиц. В качестве примера подобного подхода рассмотрим представления, развиваемые в работе [126]. Предполагается, что олигомерный фермент имеет, в отличие от [121], не два состояния всей структуры, а два состояния активных центров — открытое и закрытое. В этом случае только открытая конформация активного центра может обмениваться молекулами субстрата со средой, а каталитический акт происходит в закрытой конформации. Явление отрицательной кооперативности оказывается связанным с доступностью поступления субстратов в открытый и закрытый активные центры, которые, согласно автору, поочередно меняют свое состояние. Предполагается, что присоединяющиеся лиганды вызывают сопряженные конформационные флуктуации фермента, причем их частота должна быть оптимальной для совершения катализа. Однако в этой модели практически ничего не говорится ни о сути процесса катализа, происходящего в закрытом активном центре, ни о физических механизмах, обеспечивающих синхронность сопряженных конформационных флуктуаций с катализом и сменой продукта на новую молекулу субстрата.
5.1.3. «Флип-флоп»-механизм в работе олигомерных ферментов и его возможные объяснения
В упомянутой выше работе [126], как мы видели, было предложено простое объяснение «флип-флоп»-механизма катализа ферментами, т. е. поочередности работы активных центров и обусловленного этим явления «реакционной способности половины от числа активных центров» (half site reactivity, half-of-the-sites reactivity).
