к числу необходимых соединений могут относиться определенные аминокислоты, жирные кислоты, представители гетерогенной по структуре группы веществ, известной под названием витамины, определенные пурины, пиримидины и т. д. Эти необходимые для выживания или для роста соединения либо непосредственно используются организмом при синтезе белков, нуклеиновых кислот (и других соединений), либо трансформируются в необходимые для клеток продукты. Использование необходимых метаболитов зависит от определенных ферментов; эти ферменты могут ингибироваться антиметаболитами — соединениями, имеющими сходную с метаболитами структуру.

Антиметаболиты могут также блокировать использование метаболитов, синтезируемых в самом организме. Это обстоятельство является основой важного метода изучения метаболических

(35)

8. ФЕРМЕНТЫ. I

267

путей, поскольку во многих случаях торможение роста организма может быть преодолено путем добавления необходимого метаболита. Таким образом, исследования с использованием антиметаболитов представляют интерес в двух отношениях: во-первых, они позволяют обнаружить метаболиты и факторы роста, необходимые для различных видов, а во-вторых, они являются средством поиска мощных ингибиторов роста патогенных микроорганизмов и опухолевых клеток. Антиметаболиты, выделенные из живых организмов (бактерий, грибов, актиномицетов и др.), обычно называют антибиотиками.

Хотя такие синтетические антибактериальные вещества, как арсфенамин и сульфонамиды, были получены в результате эмпирических поисков уже относительно давно, началом рационального исследования антиметаболитов явилось наблюдение, показавшее, что торможение бактериального роста в присутствии сульфаниламида конкурентно снимается п-аминобензойной кислотой, роль которой как фактора роста была впервые установлена именно в этих исследованиях. Структурное сходство рассматриваемых соединений очевидно, и наблюдаемое явление подобно конкурентному торможению изолированного фермента.

Установлено, что гс-аминобензойная кислота конкурентно снимает ингибирующее действие всех сульфонамидов, имеющих структуру H2N—С6Н4—S02NHR, например сульфагуанидина, сульфатиазола, сульфапиридина и сульфадиазина.

Организмы, для роста которых необходима гс-аминобензойная кислота (ПАБК), используют ее для синтеза фолиевой кислоты (см. ниже). Рост этих организмов тормозится сульфонамидами, и

СООН гг-аминобензойная кислота

S02NH2 сульфаниламид

12

СН,

I 2 сн2

СООН

фолиевая кислота (птероилглутаминовая кислота}1

268

II. КАТАЛИЗ

это торможение может быть обращено ПАБК- Рост организмов, которые нуждаются в фолиевой кислоте и не могут использовать для ее синтеза ПАБК, не тормозится сульфонамидами. Следовательно, сульфонамиды тормозят ферментативную стадию (или стадии), находящуюся на пути синтеза фолиевой кислоты из ?-аминобензойной кислоты и других метаболических предшественников. Эта упрощенная картина служит иллюстрацией того, насколько полезным оказались сульфонамиды в выяснении роли ПАБК в метаболизме бактерий. Эффективное использование суль-фонамидов при лечении бактериальных инфекций у человека обусловлено, вероятно, тем, что человек нуждается в готовой фолиевой кислоте и не может синтезировать ее из ПАБК- Таким образом, сульфонамиды блокируют метаболические реакции, существенные для определенных бактерий, и в то же время не влияют на организм хозяина, у которого не происходит синтеза фолиевой кислоты из ПАБК-

Были синтезированы многие тысячи соединений с целью получения новых антиметаболитов. Сопоставление приводимых ниже структур синтетических антиметаболитов и соответствующих метаболитов может служить иллюстрацией тех предпосылок, на которых основан поиск эффективных ингибиторов.

метаболит антимелтболит метаболит интиметаболит

NH, 5Н

I 2 I

a/^-Vv™ Сгсоон 0^н

н N Н \у

авенин 6-меркаптопурин никотиновая пириЭин-Э-сульфо-

кцслота новая кислота

Некоторые антагонисты фолиевой кислоты были использованы в экспериментах (и в ограниченном масштабе в клинике) при лечении лейкемии и других заболеваний опухолевой природы. Так, 4-аминоптероилглутаминовая кислота (аминоптерин) тормозит рост некоторых видов опухолей. Это стимулировало широкий поиск других потенциальных ингибиторов новообразований; многие из этих исследований основываются на концепции антиметаболитов.

8.7. Регуляция ферментативной активности

8.7.1. Аллостерические ферменты

Как уже обсуждалось выше, ферменты могут ингибироваться соединениями, которые обратимо связываются с каталитическим центром, конкурируя таким образом с субстратом. Кроме того.

8. ФЕРМЕНТЫ. I

269

реагенты, необратимо модифицирующие другие участки белка, также могут вызывать инактивацию фермента. В условиях клетки подобные явления встречаются относительно редко. В физиологических условиях скорости многих ферментативных реакций регулируются в результате обратимого связывания ферментами реагентов, называемых эффекторами; это связывание осуществляется на специфических участках (не являющихся субстратсвязы-вающими), называемых аллостерическими центрами. В условиях постоянных концентраций фермента и субстрата связывание отрицательного эффектора снижает скорость реакции (аллостери-ческое ингибирование), связывание же положительного эффектора увеличивает ее (аллостерическая активация). Аллостерическое ингибирование может достигаться либо в результате уменьшения эффективности связывания фермента с субстратом, что проявляется в увеличении Km, либо в результате уменьшения «числа оборотов» фермента, что проявляется в снижении Ушах- Аллостерическая активация, напротив, сопровождается либо уменьшением Km, либо увеличением Vmax-

Если аллостерическим эффектором является сам субстрат, то говорят о гомотропном аллостерическом эффекте, если же эффектор не является субстратом — о гетеротропном аллостерическом эффекте. Некоторые ферменты имеют несколько аллостерическнх центров, одни из которых специфичны к положительным, а другие— к отрицательным эффекторам. Аллостерические центры аналогично субстратсвязывающим участкам активных центров могут проявлять различную специфичность при связывании эффекторов; она может быть либо абсолютной, т. е. проявляться только к одному определенному эффектору, либо относительной, т. е. проявляемой к группе сходных по структуре эффекторов. Наиболее важным является то обстоятельство, что все эффекторы, действующие in vivo, участвуют в нормальном метаболизме клетки, причем их эффективность является функцией их концентрации в клетке.

Все известные аллостерические ферменты состоят из двух (или более) субъединиц, которые имеют либо идентичную, либо различную последовательность аминокислот и содержат более одного субстратсвязывающего участка (на молекулу). Взаимодействие эффектора или субстрата с аллостерическим ферментом вызывает изменение конформации субъедиииц, что приводит к изменению каталитических свойств фермента. Схематически конформационные изменения, которые могут происходить при связывании эффекторов с субъединицей, показаны на рис. 8.8. Изменение конформации одной из субъединиц (в результате связывания эффектора) может повлиять на конформацию второй субъеднницы (не присоединившей эффектора) и изменить ее каталитическую •активность (рис. 8.9).

270

П. КАТАЛИЗ

Рис. 8.8. Схема, показывающая индуцируемые лигандом конформационные изменения в белковом мономере, а — конформация белка до связывания лиганда; б — конформация белка после связывания субстрата, вызвавшего конформационное изменение, приводящее к тесному сближению каталитических групп А и В; ? — активатор J индуцирует конформационное изменение, приводящее к тесному сближению каталитических групп в отсутствие субстрата; г — ингибитор I индуцирует конформационное изменение, удерживающее фрагмент пептидной цепи, содержащий группу В, в таком положении, при котором сродство субстрата к ферменту оказывается сильно уменьшенным; д — субстрат и активатор связаны с белком» находящимся в активной конформации. [Koshland D. ?., p. 345, in P. Boyer, ed.,. The Enzymes, Vol. I, 3d ed., Academic Press. Inc., New York, 19/0.]

Если известно, что фермент состоит из нескольких субъединиц, это еще не означает, что он является аллостерическим. Многие полисубъединичные ферменты, имеющие более одного активного центра, функционируют согласно кинетике Михаэлиса — Ментен '[уравнение (10)], не имеют эффекторов, и каждый из активных центров функционирует автономно, т. е. его действие не зависит от того, в какой степени насыщены субстратом активные центры соседних субъединиц. Функционирование аллостерических ферментов характеризуется более сложной кинетикой (рис. 8.10). Зависимости V от l[S] часто имеют вид сигмоидных кривых, а графики

8. ФЕРМЕНТЫ. ]

271

T-cocrno яние

Рис. 8.9. Схема конформационных состояний аллостерического фермента и изменений конформации, индуцируемых эффектором S, который может либо являться, либо не являться субстратом. Квадрат или кружок обозначают одну из четырех субъединиц. Любое состояние находится в динамическом равновесии с другими состояниями; доля каждой из форм зависит от природы рассматриваемого конкретного фермента. Допустим, что фермент более активен в R-состоянии, чем в Т-состоянпи, что S—положительный эффектор и что равновесие между R- и Т-со-стоянием (в отсутствие субстрата) значительно смещено в пользу Т-состояиия. При увеличении концентрации S будут преобладать состояния ? 1, ? 2, ТЗ; однако равновесие между состояниями ТЗ и R4 смещено в пользу R4, поскольку индуцируемое эффектором изменение конеформации повышает связывание субстрата с R4 и R 5. Таким образом, наиболее вероятными являются следующие формы: ? 1, ? 2, ? 3, R 3, R 4 н R 5.

J.-2 1.0 0.8 0,6 0,4

_ f

—~?^>

: I !

4 6 [S]

? ??

Рис. 8.10. Кинетика действия аллостерпчеекпх ферментов, а—зависимость I' от IS]: б — зависимость 1/V от 1/[S]; в — график согласно уравнению (37). Приведены типы графиков при пн=1 (кооперативность отсутствует), пн=2 (положительная кооперативиость) и пн=0,5 (отрицательная кооперативност