4. Гомотропная и гетеротропная кооперативность

Модели кооперативносmи

Кооперативность между субъединицами ферментов, проявляющаяся в сигмоидной форме кривой насыщения субстратом, сводится к двум моделям:

«симметричная» (Моно и сотр.) (гомотропная кооперативность, равновесная модель, координированная индукция);

«последовательная» модель (Кошланд) (гетеротропная кооперативность, последовательная индукция).

При координированной индукции добавление субстрата приводит почти к одновременной индукции активностей всех ферментов. При последовательной индукции активация ферментов происходит поочерёдно, во времени, в определённой последовательности.

Последовательная индукция обнаруживается в случае длинных катаболических путей, приводящих к распаду нескольких субстратов. Если субстраты А, Б, В и Г распадаются, то для превращения всех четырех субстратов необходимо несколько ферментов; некоторые из них участвуют в расщеплении двух субстратов, а некоторые - только одного: А, Б или В. Здесь проявляется экономичность механизма последовательной индукции.

Модели гомотропной и гетеротропной кооперативности схематически представлены на рисунке.

«Симметричная модель» (гомотропная кооперативность)

«Последовательная модель» (гетеротропная кооперативность)

В основу обеих моделей положено представление о том, что ферменты могут существовать в различных формах - в активной форме (с высоким сродством к субстрату) и в неактивной (с малым сродством к субстрату). В каком соотношении между собой будут находиться разные формы фермента, зависит от наличия и концентрации лигандов (молекул субстрата, активаторов и ингибиторов). Разница между гипотезами касается того, как происходит конформационное изменение.

Симметричная модель (гомотропная кооперативность)

Фермент представлен только двумя конформационными состояниями, находящимися в динамическом равновесии. Все субъединицы молекулы фермента находятся в одной и той же конформации (симметричные олигомеры).

В этом типе регуляции фермент имеет несколько активных центров одинаковой природы, способных взаимодействовать с молекулами субстрата. Присоединение первой молекулы субстрата облегчает присоединение последующих молекул, и скорость реакции возрастает по экспоненте. Поэтому график зависимости начальной скорости реакции от концентрации субстрата имеет сигмоидную форму.

Динамическое равновесие конформационных состояний фермента характеризуется аллостерической постоянной L. В отсутствие лигандов неактивное основное состояние Т (англ. tense - напряженный) преобладает над активным состоянием R (англ. relaxed - расслабленный). При добавлении лигандов они реагируют с теми молекулами фермента, которые находятся в соответствующей конформации: ингибиторы - с молекулами в состоянии T, субстраты и активаторы - с молекулами в состоянии R. При связывании субстрата фермент удерживается в состоянии R. Чтобы восстановить равновесие между двумя конформационными состояниями, часть других молекул фермента тоже переходит в состояние R. Поскольку каждая молекула имеет несколько участков для связывания субстрата, небольшого числа молекул субстрата достаточно для того, чтобы привести намного большее число таких участков в состояние высокой каталитической активности; таким образом облегчается связывание и других молекул субстрата. В этом и состоит кооперативный эффект, определяющий сигмоидную форму кривой «концентрация субстрата - скорость реакции». Отрицательный эффектор оказывает обратное действие.

Последовательная модель (гетеротропная кооперативность)

Предполагается, что фермент приобретает каталитически активную конформацию только в результате взаимодействия с субстратом.

Для проявления данного типа регуляции фермент должен обладать раздельными активными центрами: каталитическим (связывающим субстрат) и регуляторным (связывающим продукт или другой эффектор). Эти активные центры обычно размещены на разных субъединицах фермента. Однако связывание эффектора с регуляторным центром влияет на конформацию каталитического центра и изменяет его сродство к субстрату, как правило, снижая это сродство.

Если фермент состоит из нескольких субъединиц, то конформационное изменение одной из них, вызванное субстратом, последовательно передается другим субъединицам и облегчает им связывание добавочных молекул субстрата. Возможно образование несимметричных олигомеров с субъединицами, имеющими разную конформацию. Присутствие активаторов способствует переходу в активную форму, а отрицательные эффекторы его затрудняют.

Классическим примером аллостерической гетеротропной регуляции метаболической активности бактерий является механизм действия фермента - аспартат-карбамоилтрансферазы (аспартаттранскарбамоилазы, или АТКазы).

АТКаза катализирует первую реакцию биосинтеза пиримидинов. Ее активность ингибируется одним из конечных продуктов этого биосинтетического пути – цитидинтрифосфатом (ЦТФ). Следовательно, повышенная концентрация ЦТФ внутри клетки ингибирует действие АТКазы, а значит, и дальнейшее образование ЦТФ до тех пор, пока его концентрация не снизится до оптимального уровня. Второй эффектор АТКазы, ATФ, активирует фермент и координирует таким образом синтез пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.

График зависимости скорости реакции, катализируемой АТКазой, от концентрации субстрата представляет собой S-образную кривую, а не гиперболу, типичную для неаллостерических ферментов.