Биология. В 3-х томах. Т. 1

6.6. Аллостерические ферменты

Аллостерическими называют ферменты, активность которых регулируется не их субстратами, а другими веществами, присоединяющимися к ферментам в особых участках, удаленных от их активного центра. Эти вещества влияют на активность фермента, вызывая обратимое изменение в структуре его активного центра. Называются такие вещества аллостерическими эффекторами. В зависимости от характера влияния, которое они оказывают, увеличивая или уменьшая сродство фермента к субстрату, эффекторы подразделяются на аллостерические активаторы (ускоряющие реакцию) и аллостерические ингибиторы (тормозящие реакцию). Примером аллостерического фермента может служить фосфофруктокиназа, катализирующая фосфорилирование фруктозо-6-фосфата с образованием фруктозо-1,6-бисфосфата. Эта реакция протекает во время гликолиза, составляющего одну из стадий процесса дыхания. АТФ, если его концентрация высока, аллостерически ингибирует фосфофруктокиназу. Когда же клеточный метаболизм усиливается, а значит, расходуется АТФ и его общая концентрация падает, данный метаболический путь снова вступает в действие (рис. 6.18 и 6.19).

Рис. 6.18. Возможный механизм аллостерического воздействия АТФ на фосфофруктокиназу. (По D. Harrison (1975), Patterns in Biology, Arnold.)

Рис. 6.19. Схема, поясняющая, как работает аллостерический фермент

6.6.1. Ингибирование конечным продуктом (ингибирование по принципу отрицательной обратной связи — ретроингибирование)

Когда конечный продукт какого-либо метаболического пути начинает накапливаться, он может действовать как аллостерический ингибитор на фермент, контролирующий первый этап этого пути. При этом снижается сродство данного фермента к его субстрату и соответственно уменьшается или вовсе приостанавливается дальнейшее образование самого конечного продукта. Это явление — ингибирование конечным продуктом (рис. 6.20) — представляет собой пример механизма, регулирующего один из аспектов метаболической активности по принципу отрицательной обратной связи (разд. 18.1).

Рис. 6.20. Ингибирование конечным продуктом. Специфические ферменты, катализирующие отдельные этапы данного метаболического пути, обозначены буквами e₁-e₄

6.7. Регуляция метаболизма

В типичной клетке содержится свыше 500 различных ферментов. Их активность и концентрация все время колеблются. Как же в таком случае осуществляется регулирование и как достигается согласованность всего процесса метаболизма? Ответ на этот вопрос следует искать в специфичности действия ферментов, в их пространственной организации и в их функциональном взаимодействии с другими клеточными компонентами. В клетке существует два типа метаболических путей, на которых четко прослеживаются перечисленные особенности: линейные и разветвленные метаболические пути.

6.7.1. Линейный метаболический путь

Некоторые ферменты действуют организованно, будучи объединены друг с другом в мультиферментные комплексы. Обычно такие ферменты связаны с мембранами (рис. 6.21, А). Линейное расположение ферментов создает возможность для саморегуляции путем ингибирования по принципу отрицательной обратной связи, так что скорость данного метаболического пути регулируется концентрацией его конечного продукта. Такая тесная связь, кроме того, снижает до минимума воздействия других реакций. Каждый фермент взаимосвязан с соседними: продукт одного из них становится субстратом следующего фермента в цепи и так продолжается до тех пор, пока процесс не завершится образованием конечного продукта.

Рис. 6.21. Мультиферментные системы. А. Мультиферментная система, связанная с мембраной. Б. Диссоциированная мультиферментная система, продуктами которой в зависимости от условий в клетке могут быть В, С, D и Е

6.7.2. Разветвленный метаболический путь

Такой путь может привести к разным конечным продуктам. Какой именно из них образуется, зависит от условий, существующих в клетке в данный момент (рис. 6.21, Б). Ингибирование по принципу обратной связи участвует в регулировании образования конечного продукта. Здесь также действуют мультиферментные системы, однако ферменты находятся в растворе и тесно друг с другом не связаны.

6.6. Ниже изображена мультиферментная система:

а) Известно, что е₁специфичен для А и что конечный продукт X ингибирует e₁. Зная это, что можно сказать о том, в каких участках молекулы фермента связываются А и X?

б) Как может избыток X регулировать данный метаболический путь?