Самоорганизация в неравновесных системах - Николис Г.
Скачать (прямая ссылка):
1. Гипотезы о стриктуре. Рассматривается моносубстратггый аллостерический фермент, состоящий из двух протомеров. Каждый из протомеров может существовать в двух конформациях,
¦0+
о+
?
о
+ 0
а О
11 я,, я,
7 -\
Рис, 14.3. Модель аллостерического димерного фермента, активируемого продуктом реакции.
Субстрат ф> поступает с по и и ой скоростью. Продукт (О) связывается лишь с активной формой фермев а К и удаляется на системы -со скоростью, пропорциональной его о центр ц Буквами и обозначены константы ассоциации и диссоциации ферментатввчых комплексов; к а к?—константы скорости необратимого разложения фермента в состояниях 1^ и Т-
регуляторные процессы на субклеточном уровне
371
R и Т, отличающихся по каталитической активности и сродству к субстрату. Обратимый переход между этими двумя коыфор-мациями происходит когерентно, что согласуется с аллостери-ческой моделью Моно— Ваймсна — Шанжё [259]. Продукт реакции получается в результате необратимого распада комплексов, образующихся при связывании субстрата с формами R или Т. При этом продукт является положительным эффектором для фермента, связывающимся исключительно с конформацией R, которая обладает более высоким сродством к субстрату и более высокой частотой срабатывания по сравнению с состоянием Т.
2. Система предполагается открытой. Субстрат подается с постоянной скоростью, в то время как скорость отвода продукта пропорциональна его концентрации.
Хотя перечисленные допущения и следуют из регуляторных свойств фосфофруктокиназы, описанных в разд. 14.2, они все-таки содержат некоторые упрощения. Так, в более подробной модели необходимо одновременно рассматривать оба субстрата ФФК, а именно АТФ и Ф-6-Ф. Как отмечалось в разд. 14.2, контроль глнколятических колебаний осуществляется парой АТФ/АДФ, но никак не парой Ф-6-Ф/ФДФ, что свидетельствует в пользу модели моносубстратного фермента, описываемой двумя переменными. Это допущение значительно упрощает аналитическое исследование модели. В качестве двух переменных фигурируют концентрации субстрата АТФ и продукта АДФ. Никакого влияния на эту гипотезу не оказывает и тот факт, что Ф-6-Ф является субстратом, потребляемым в процессе регуляции глико-литических колебаний по мере того как АТФ производится глн-колитической системой. Важно лишь то, что комбинация АТФ и Ф-6-Ф приводит в конечном счете к активатору АДФ, порождающему неустойчивость и, следовательно, колебания. Вторым продуктом, т е. ФДФ, можно пренебречь, поскольку он не оказывает регулирующего воздействия [33] и не создает фазового сдвига [165] в случае колебаний в дрожжевых культурах. Кроме того, накопление ФДФ не оказывает влияния на периодичность гликолиза {Гссс н Буато, частное сообщение).
Часто фосфофруктокиназа существует в виде тетрамера [244], как в случае Е. coli [35]. На регуляторные свойства фермента могут оказывать влияние также процессы ассоциации — диссоциации [244]. Ниже мы рассмотрим одномолекулярный фермент и ограничимся анализом простейшего случая димера. Необходимо подчеркнуть, что основные Особенности аллостери-ческих ферментов, отражающиеся в их кооперативности, уже учитываются наличием двух протомеров в молекуле фермента. Как показал Плессер [312], обобщение модели на случай п протомеров не приводит к существенно новым результатам по сравнению со случаем димеров.
372
Глава 14
Согласно терминологии Моно и сотр. [259], рассматриваемая модель является смешанной К — V-ciictcmoiI. Действительно, субстрат имеет различное сродство к двум конформациям фермента (/(-эффект) и в то же время состояния Яи Т различаются по каталитическим свойствам (V-эффект). Рассматривать общий случай К~ ^-системы следует го двум причинам. Во-первых, выражения для чистых К- или V-систем легко получить как предельные случаи соответствующих общих уравнений. Во-вторых, в такой системе легко проанализировать роль субстратного ингибирования фермента в процессе возникновения неустойчивости. Как показали Mono и сотр. [259], такое ингибиро-вание можно наблюдать в согласованной К — ^-системе, если связывание субстрата с наименее активной формой фермента характеризуется наиболее высоким сродством. В статье Гольд-бетера и Лефевера [138] рассмотрен случай, когда состояние Т совершенно неактивно. Здесь же будет дано более общее рассмотрение (см. также [133, МО]). Еще одно предположение касается каталитической стадии, которая считается необратимой в соответствии с экспериментальными наблюдениями [167] в условиях сильно неравновесной реакции с участием ФФК-
Что касается внешних условий, то можно отметить, что гипотеза о постоянной скорости поступления субстрата в систему представляет лишь очень грубое приближение. Тем не менее это предположение соответствует экспериментальным условиям В случае дрожжевых клеток и экстрактов. В разд. 14.4 будет кратко рассмотрено влияние периодического и случайного поступления субстрата. Такой случай, по-видимому, более близок к реальным системам.
Последний гипотеза относится к отводу продукта из системы. Мы будем рассматривать систему, ненасыщенную по продукту, например считая большими концентрации ферментов, расположенных после ФФК в гликолитической цепи [167J. Таким образом, единственная нелинейность в системе связана с регуляцией и кооперативностыо рассматриваемого аллостерического фермента.
