A → B → C → D → Z.

Первый фермент этого пути, превращающий A → B, аллостерически ингибируется конечным продуктом Z. Если концентрация Z повысится выше нормы, то активность первого фермента в цепи реакций окажется угнетенной, выработка продукта сократится, и его концентрация вскоре снизится до нормы. Если же концентрация Z сильно понизится, то аллостерическое ингибирование фермента исчезнет, он заработает в полную силу, и вскоре концентрация продукта восстановится до нормального уровня.

Другой способ регуляции – кооперативность – похожа по механизму на аллостерию. Разберем явление кооперативности на примере гемоглобина – хотя этот кислород-связывающий белок и не является ферментом, принципы остаются теми же. График зависимости насыщения гемоглобина от парциального давления кислорода имеет S-образную форму и сильно отличается от кривой Михаелиса. При низкой концентрации кислорода график насыщения гемоглобина идет очень полого. При увеличении концентрации он круто взмывает вверх: белок, связывающий кислород в соответствии с уравнением Михаелиса, не смог бы обеспечить такую крутизну. Наконец, последний участок этой кривой асимптотически приближается к полному насыщению.

Такое необычное поведение объясняется просто. Гемоглобин состоит из четырех субъединиц, каждая из которых способна связывать молекулу О2. При очень низкой концентрации кислорода все субъединицы гемоглобина находятся в свободном состоянии. Если концентрацию О2 немного повысить, то сперва его связывание пойдет с большим трудом. Однако когда первая субъединица все-таки свяжет кислород, то ее конформация изменится, и это изменение передастся на соседние субъединицы. Они будут связывать кислород легче, чем первая, и кривая связывания стремительно пойдет вверх. Такое повышение сродства к субстрату у других субъединиц после связывания его первой субъединицей называется положительной кооперативностью. Механизм этого явления состоит в том, что изменение конформации одной субъединицы белка вызывает изменение пространственной структуры всей белковой молекулы.

Физиологическое значение этого свойства гемоглобина огромно. Парциальное давление кислорода в крови, выходящей из легких, составляет около 100 мм рт. ст., в этих условиях гемоглобин насыщен на 98%. В тканевой жидкости, омывающей капилляры, парциальное давление О2 может понизиться до 20 мм рт. ст., в этих условиях гемоглобин будет насыщен кислородом на 32%. В итоге 66% (98% – 32%) от общего количества гемоглобина участвует в переносе кислорода. Если бы перенос кислорода осуществлял некий воображаемый белок, не обладающий кооперативностью, то при изменении парциального давления со 100 мм рт. ст.д.о 20 мм рт. ст. он изменил бы свою насыщенность кислородом только на 38%. Таким образом, кооперативность повышает эффективность работы гемоглобина примерно в 1,7 раза.

Еще одним важнейшим механизмом регуляции активности белков является ковалентная модификация. Белки могут подвергаться различным химическим изменениям. Очень распространен ограниченный протеолиз белковых молекул. Многие пищеварительные ферменты синтезируются в форме длинных предшественников. Так, поджелудочная железа секретирует в просвет двенадцатиперстной кишки не активные ферменты трипсин и химотрипсин, а их предшественники – трипсиноген и химотрипсиноген. Трипсиноген длиннее трипсина на 6 аминокислотных остатков с N-конца. Фермент кишечника энтеропептидаза отщепляет этот лишний пептид и превращает неактивный трипсиноген в активный трипсин.

Многие белковые гормоны также синтезируются в виде более длинных предшественников. Так, на рибосомах поджелудочной железы синтезируется предшественник гормона инсулина – проинсулин. Отщепление лишних аминокислот и образование зрелого инсулина происходит в секреторных пузырьках клеток поджелудочной железы.