6.17. Согласованный механизм аллостерических взаимодействий

Изящную и четкую модель кинетики аллостерических ферментов предложили в 1965 г. Жак Моно, Джефри Уайман и Жан-Пьер Шанже (1 Monod,J, Wyman, J.-P.Chan-geux). Используя их подход, рассмотрим аллостерический фермент, состоящий из двух идентичных субъединиц, каждая с одним активным центром. Допустим, что субъединицы могут находиться в двух конформациях - Конформация релаксированная) обладает высоким сродством к субстрату, тогда как конформация -низким сродством (рис, 6.20). Вспомним, что так же обозначались две формы четвертичной структуры гемоглобина (разд. 4.10), Формы могут переходить одна в другую. В данной модели делается важное допущение, что для сохранения симметрии димера обе субъединицы должны находиться в одном и том же конформационном состоянии. Таким образом разрешены состояния и не разрешено состояние Символами обозначают разрешенные состояния в отсутствие субстрата и L-соотношение их концентраций:

Чтоб упростить рассуждения, допустим, что субстрат не присоединяется к -форме фермента. В R-форме димер может связать одну или две молекулы субстрата; эти

состояния обозначают соответственно

Согласно полученному уравнению, присоединение как первой, так и второй молекулы субстрата к R-форме димерного фермента имеет одну и ту же микроскопическую константу диссоциации Коэффициент 2 в уравнении (31) указывает на то, что субстрат может связаться с любым из двух активных центров на с образованием и аналогичным образом субстрат может высвободиться из любого из активных центров на с образованием R

Выразим степень насыщения У (т.е. долю активных центров, имеющих связанный субстрат) как функцию концентрации субстрата

Произведя замены в этом уравнении в соответствии с уравнениями (27) и (31), получаем искомое выражение для У:

Изобразим уравнение (33) графически, приняв Зависимость от выражается сигмоидной, а не гиперболической кривой (рис. 6.23). Другими словами, это уравнение соответствует кооперативному связыванию субстрата. Если число оборотов в расчете на один активный центр одинаково для фермент-субстратных комплексов то график зависимости скорости реакции от концентрации субстрата также будет сигмоидным, поскольку

Рассмотрим теперь этот процесс связывания (рис. 6.21). В отсутствие субстрата почти все молекулы фермента находятся в -форме. В приведенном выше примере на 104 молекул в -форме приходится только

Рис. 6.20. Схематическое изображение и -форм аллостерического фермента.

Рис. 6.21. Модель согласованного механизма кооперативного связывания субстрата аллостерическим ферментом. Присоединение первой молекулы субстрата сопровождается переходом ТТ-формы с низким сродством к субстрату в RR-форму с высоким сродством.

одна молекула в R-форме. Добавление субстрата сдвигает конформационное равновесие в сторону образования R-формы, поскольку именно R-форма связывает субстрат. Когда субстрат присоединяется к одному активному центру, второй активный центр должен быть также в R-форме, согласно основному постулату данной модели. Другими словами, переход от к R и обратно все субъединицы фермента осуществляют согласованно. Следовательно, по мере добавления субстрата доля молекул фермента в R-форме прогрессивно возрастает и связывание субстрата происходит кооперативно. При полном насыщении активных центров все молекулы фермента оказываются в R-форме.

На основе модели согласованного механизма нетрудно объяснить влияние аллостерических ингибиторов и активаторов. Аллостерический ингибитор связывается преимущественно с -формой, тогда как аллостерический активатор связывается преимущественно с R-формой (рис. 6.22). Следовательно, аллостерический ингибитор сдвигает конформационное равновесие в сторону а аллостерический активаторов сторону Эти эффекты можно выразить количественно через изменение константы аллостерического равновесия которая входит в виде переменной в уравнение (33). Аллостерический ингибитор повышает величину тогда как аллостерический активатор понижает ее. Эти влияния показаны на рис. 6.23, где отложено против при следующих значениях (в присутствии активатора), (без активатора и без ингибитора), (в присутствии ингибитора). Степень насыщения при всех значениях снижается в присутствии ингибитора и повышается в присутствии активатора.

Здесь полезно остановиться еще на двух понятиях: это гомотропные эффекты, которые представляют собой аллостерические взаимодействия между идентичными лигандами (связанными молекулами или ионами), и гетеротропные эффекты, т.е. взаимодействия между различными лигандами. В рассмотренном выше примере кооперативное связывание субстрата ферментом представляло собой гомотропный эффект. В отличие от этого влияние активатора или ингибитора на связывание субстрата является

Рис. 6.22. В соответствии с моделью согласованного механизма аллостерический ингибитор (изображен в виде шестиугольника) стабилизирует форму тогда как аллостерический активатор (изображен в ввде треугольника) стабилизирует форму

Рис. 6.23. Насыщение как функция концентрации субстрата в соответствии с моделью согласованного механизма [уравнение (33)]. Показано также влияние аллостерического ингибитора и активатора.

гетеротропным, поскольку в этом случае взаимодействие происходит между молекулами разного типа. При согласованном механизме аллостерических взаимодействий гомотропные эффекты всегда положительны (кооперативны), а гетеротропные - либо положительны, либо отрицательны.