Случайность и необходимость

Необходимо подчеркнуть, что, если вынести за скобки субстрат, эффекторы, регулирующие активность аллостерического фермента, не принимают участия в самой реакции. С ферментом они образуют нековалентный комплекс, полностью и мгновенно обратимый, из которого выходят абсолютно неизмененными. Потребление энергии, связанное с регуляторным взаимодействием, практически равно нулю: оно составляет лишь ничтожную долю внутриклеточного химического потенциала эффекторов. С другой стороны, каталитическая реакция, управляемая этими очень слабыми взаимодействиями, может, в свою очередь, предполагать перенос относительно большого количества энергии. Следовательно, такие системы сравнимы с системами, используемыми в электронных схемах. В частности, незначительная доля энергии, потребляемая реле, может вызвать крупномасштабную операцию, например пуск баллистической ракеты.

* * *

Как электронное реле может управляться одновременно несколькими электрическими потенциалами, так и аллостерический фермент обычно управляется несколькими химическими потенциалами. Однако на этом аналогия не заканчивается. В большинстве случаев желательно, чтобы релейная система реагировала на изменения управляющего ею потенциала нелинейно; таким образом мы можем добиться пороговых эффектов, позволяющих проводить более тонкое регулирование. То же относится и к большинству аллостерических ферментов. Кривая, отражающая изменение активности в зависимости от концентрации эффектора (включая субстрат), почти всегда принимает S‐образную форму. Иными словами, на начальных стадиях эффект лиганда[21] возрастает быстрее, чем его концентрация. Это поведение тем более примечательно, что оно, по всей видимости, характерно для всех аллостерических ферментов. У обычных, «классических» ферментов, наоборот, эффект всегда растет медленнее концентрации.

Я точно не знаю, каков минимальный вес электронного реле, обладающего теми же логическими свойствами, что и средний аллостерический фермент (получающий и интегрирующий входные сигналы от трех или четырех источников и реагирующий с пороговым эффектом). Скажем, около сотой доли грамма. Вес молекулы аллостерического фермента составляет порядка 10^–17 грамма. Это в миллион миллиардов раз меньше, чем вес электронного реле. Данная астрономическая цифра дает некоторое представление о «кибернетической» (т. е. телеономической) мощи клетки, содержащей сотни и тысячи таких микроскопических структур, причем все они гораздо умнее демона Максвелла – Сциларда – Бриллюэна.

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.