Механизм аллостерических взаимодействий

Вопрос в том, чтобы понять, как именно аллостерический белок реализует все эти удивительные функции. В настоящее время известно, что аллостерические взаимодействия опосредуются дискретными сдвигами в молекулярной форме белка. В следующей главе мы убедимся, что выпуклая и компактная форма глобулярного белка стабилизируется за счет множества нековалентных связей, которые сообща поддерживают его структуру. Это позволяет некоторым белкам принимать два (или более) конформационных состояния (точно так же, как некоторые соединения могут существовать в различных аллотропных состояниях). Эти два состояния и «аллостерический переход», при котором молекула переходит из одного в другое или обратно, часто обозначаются следующим образом:

Поскольку способность белка распознавать форму зависит от формы его центра (или центров) связывания, можно утверждать (и в некоторых случаях прямо продемонстрировать), что эти стереоспецифичные свойства модифицируются при переходе из одного состояния в другое. Например, в расслабленном состоянии (Р) белок способен распознавать и, следовательно, связывать соединение α, но не β, а в напряженном состоянии (Н) – распознавать и связывать соединение β, но не α. Отсюда следует, что каждое соединение будет содействовать стабилизации белка в одном из двух его состояний, Р или Н, и что α и β будут взаимно антагонистичны, ибо их соответствующие взаимодействия с белком носят взаимоисключающий характер. Теперь представим себе третье соединение γ (скажем, субстрат), которое связывается исключительно с состоянием Р. Если за связывание с γ и α отвечают разные участки молекулы, то и α, и γ будут сообща способствовать стабилизации белка в его активном состоянии (состоянии, которое распознает субстрат). В этом случае соединение α и субстрат γ действуют как активаторы, а соединение β – как ингибитор. Если так, активность популяции молекул должна быть пропорциональна доле молекул, находящихся в состоянии Р, которая будет больше или меньше в зависимости от относительной концентрации трех лигандов, а также от внутреннего равновесия между Р и Н. Таким образом, каталитическая реакция управляется величиной этих трех химических потенциалов.

Необходимо подчеркнуть, что совместное или антагонистическое действие трех лигандов носит абсолютно косвенный характер. Между самими лигандами не происходит никаких фактических взаимодействий; все взаимодействия происходят исключительно между белком и каждым лигандом в отдельности. Далее мы еще вернемся к этому наблюдению – незаменимому ключу к пониманию происхождения и развития кибернетических систем в живых существах[22].

Схема непрямых взаимодействий позволяет объяснить «нелинейную» реакцию белка на изменения концентрации его эффекторов. Все известные аллостерические белки являются олигомерами, т. е. состоят из нескольких (часто двух или четырех, реже шести, восьми или двенадцати) химически идентичных субъединиц, или «протомеров», соединенных нековалентными связями. Все протомеры несут рецепторы для каждого из лигандов, которые распознает белок. За счет ассоциации с одним или несколькими другими протомерами стерическая структура каждого из них частично «ограничивается» его соседями. Однако теория, подтвержденная кристаллографическими данными, говорит нам, что олигомерные белки склонны «упаковываться» таким образом – принимать такую форму, – чтобы все протомеры были геометрически эквивалентны; в результате ограничения, которым они подвергаются, распределяются между протомерами симметрично.

Возьмем простейший случай – димер – и рассмотрим, что следует из его диссоциации на два мономера. Порознь они могут существовать в расслабленном состоянии, структурно отличном от напряженного состояния, которое оба были вынуждены принять, будучи связанными вместе.

Изменение состояния двух протомеров происходит «согласованно». Именно эта согласованность объясняет нелинейность реакции: стабилизация молекулой лиганда диссоциированного состояния Р у одного из мономеров препятствует возвращению другого в ассоциированное состояние. То же относится к сдвигу в обратном направлении. Равновесие между двумя состояниями определяется квадратичной функцией концентрации лигандов: например, для тетрамера это будет функция четвертой степени и так далее[23].

Я намеренно ограничился анализом простейшей возможной модели, характерной для систем, которые мы имеем все основания считать «примитивными». В реальных системах диссоциация редко бывает полной: протомеры остаются связанными в обоих состояниях, хотя в одном из них связь слабее, чем в другом. Хотя вариаций этой общей схемы существует множество, прежде всего я стремился показать, что «интегративные» свойства аллостерических белков объясняются молекулярными механизмами, которые сами по себе чрезвычайно просты.

* * *

Каждый из аллостерических ферментов, упомянутых до сих пор, представляет собой соединение, выполняющее химическую функцию, и в то же время опосредующий элемент в регуляторных взаимодействиях. Их свойства дают нам представление о том, как именно гомеостатическое состояние клеточного метаболизма поддерживается на пике эффективности и согласованности.

Регуляция синтеза ферментов

Под термином «метаболизм» мы главным образом подразумеваем превращения малых молекул и мобилизацию химического потенциала. В клеточной химии синтез происходит и на другом уровне: уровне макромолекул, нуклеиновых кислот и белков (включая, в частности, сами ферменты). Давно установлено, что и здесь функционируют особые регуляторные системы. Поскольку исследовать их гораздо сложнее, чем аллостерические ферменты, в настоящее время подробно изучена только одна из них. Ее мы и рассмотрим в качестве примера.

Так называемая лактозная система регулирует синтез трех белков у бактерии Escherichia coli. Один из этих белков, галактозидпермеаза, позволяет галактозидам[24] проникать в клетку и накапливаться внутри (в отсутствие этого белка клеточная мембрана непроницаема для этих сахаров). Второй белок гидролизует β-галактозиды. Функция третьего белка не совсем ясна и, вероятно, незначительна. Что касается первого и второго, то оба необходимы бактериям для утилизации лактозы (и других галактозидов).

Если бактерии Escherichia coli растут в среде, лишенной галактозидов, эти три белка синтезируются чрезвычайно медленно: примерно по одной молекуле каждые пять поколений. В течение двух минут после добавления галактозида – т. е. индуктора – скорость синтеза возрастает в тысячу раз и поддерживается на этом уровне все время, пока в среде присутствует галактозид. Стоит удалить индуктор, как через две-три минуты скорость синтеза возвращается к изначальной.

Выводы, сделанные в ходе длительного исследования этого явно телеономического феномена, обобщены на Рис. 4[25]. Здесь нам нет необходимости обсуждать правую часть схемы, отражающую процесс синтеза матричной РНК и ее трансляции в полипептидные последовательности. Просто отметим, что поскольку мРНК живет очень недолго (всего несколько минут), скорость ее синтеза определяет скорость синтеза трех белков. Прежде всего нас интересуют компоненты регуляторной системы. Они таковы:

– ген-регулятор (i);

– белок-репрессор (Р);

– операторный участок ДНК (о);

– промоторный участок ДНК (p);

– молекула индуктора галактозида (βГ).

Рис. 4. Регуляция синтеза ферментов в лактозной системе.

Р: белок-репрессор, ассоциированный с галактозидом-индуктором, обозначенным шестиугольником.

Н: белок-репрессор, ассоциированный с операторным участком ДНК (о).

i: регуляторный ген, управляющий синтезом репрессора.

p: промотор, место инициации синтеза матричной РНК (мРНК).

Г1, Г