Биологическая химия. Том 31 - Карасев В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Механизм поочередного функционирования активных центров («флип-флоп») был впервые предложен в работах [86, 109] и неоднократно был предметом подробного рассмотрения [90, 111, 142]. Он оказался удобным для описания работы олигомерных ферментов, содержащих четное число субъединиц, и имеющих следующие характерные свойства [109]:
1. Наличие сильной отрицательной кооперативности. На первых этапах насыщения активных центров субстратом каталитическая активность быстро возрастает, а затем, при насыщении субстратом примерно 50% активных центров, резко замедляется, вследствие чего это явление и получило название «реакционная способность половины от числа активных центров». Для таких ферментов характерно существование двух типов констант связывания субстрата активными центрами, с сильным и слабым сродством, а также низкое (<1) значение коэффициента Хилла.
2. Обратимость связывания с половиной активных центров и временная инактивация, вызываемая рядом субстратов и ингибиторов.
3. Необратимость связывания половины активных центров, обусловленная некоторыми специфическими молекулами (так называемыми субстратами самоубийства ферментов — suicide substrates [78]).
В настоящее время известно более 50 ферментов, свойства которых можно описать на основе «флип-флоп»-механизма. К их анализу мы еще вернемся в последующих разделах этой главы. Здесь же мы рассмотрим возможные его объяснения с позиции биоэнергетических процессов.
Одной из первых работ, посвященных обсуждению физической природы «флип-флоп»-механизма катализа, явилась статья Луизи и Зандоменеги [114], в которой димерный фермент рассматривается как система взаимодействующих осцилляторов, передающих друг другу энергию через слабое, «эластичное» сопряжение. «Флип-флоп»-механизм является в этом случае следствием попеременной миграции энергии между взаимодействующими субъединицами. Авторы приходят к выводу, что описанный процесс наиболее близко согласуется с механизмом возникновения асимметрии в результате конформационных изменений, вызванных ассоциацией субъединиц. Однако эта асимметрия является, по мысли авторов, динамической, поскольку флуктуационная энергия (и соответствующее конформационное состояние) непрерывно перетекает от одной субъединицы к другой. Эта асимметрия может быть «заморожена» только при реакции на одном из двух участков, что проявляется как «реакционная способность половины от числа активных центров». Несовершенство этого подхода состоит в том, что отсутствует тесная связь между процессом переноса энергии между субъединицами и ролью этого переноса в осуществлении каталитического акта. Кроме того, в данной работе не развиты представления о том, по каким конкретным структурам и с помощью какого механизма эта энергия передается.
В упоминавшихся уже в разд. 3.2.2 работах [6, 107] предложена модель «электронной тропы», которая может служить
одним из возможных конкретных механизмов, обеспечивающих перенос энергии в олигомерных ферментах. Концепция авторов предполагает, что взаимосвязь между активными центрами осуществляется за счет транспорта электронов по полипептидному остову. Именно этот процесс может служить физической основой для объяснения кооперативных эффектов в ферментах. Активность белков, согласно [107], должна зависеть от статистического баланса электронного пула. Эта модель, основанная на представлениях о существовании в белках донорных и акцепторных групп, энергетические уровни которых сближены с зоной проводимости полипептидного остова [98], не учитывает, однако, некоторые особенности структуры белков. Во-первых, выпадают из рассмотрения многие полярные аминокислоты, формирующие кластеры с протяженными ССИВС, обладающие, как мы видели в разд. 4.2.4, большим разнообразием и часто играющие важную роль в катализе. Они, по модели авторов, в основном играют роль в скреплении конформации белка. Во-вторых, данный механизм неоднозначно связан с олигомерной организацией фермента. Он вполне может осуществляться на уровне одиночных субъединиц, поскольку донорные и акцепторные группы постоянно фиксированы на полипептидной цепи и процесс переноса энергии может осуществляться всегда в одном направлении. Как следствие этого, «флип-флоп»-механизм оказывается не обязательным для реализации данной модели переноса энергии.
Еще одной гипотезой, направленной на объяснение «явления реакционной способности половины от числа активных центров», является представление о «линиях коммуникации», связывающих активные центры олигомерного белка [58]. Это представление возникло при объяснении различной реактивности тиоловых групп в креатинкиназе. По мысли авторов, «линии коммуникации» представляют собой участки в структуре фермента, передающие конформационные изменения от одного активного центра к другому. Хотя вопрос об асимметрической организации «линий коммуникации» может быть оспорен, тем не менее, использование этого представления для объяснения наблюдаемых фактов (отрицательной кооперативности, «реакционной способности половины от числа активных центров»), в целом оправданно и полезно. В то же время, в этой гипотезе отсутствует определенность в отношении конкретных механизмов и носителей, обеспечивающих «канализован-ность» конформационных переходов в процессе межсубъеди-ничных взаимодействий.
