כדי לעצור פס ייצור בזמן, נדמה שצריך מישהו שיספור את המוצרים בסוף הפס ויכבה את המכונה שבתחילתו. בתא אין מי שיספור, ובכל זאת הייצור מואט בדיוק כשהמוצר מצטבר — משום שהמוצר הסופי עצמו הוא שנוחת פיזית על המכונה הראשונה בשרשרת.

מסלול מטבולי ותוצרו הסופי

מַסְלוּל מֶטָבּוֹלִי (metabolic pathway) הוא רצף תגובות שבו כל שלב מזורז על ידי אנזים משלו, והתוצר של כל שלב הוא הסובסטרט של הבא אחריו. הדוגמה הקלאסית היא בניית חומצת האמינו איזולאוצין מחומצת האמינו תראונין בחיידקים, בחמישה שלבים אנזימטיים: תראונין ← חומר ביניים א ← חומר ביניים ב ← חומר ביניים ג ← חומר ביניים ד ← איזולאוצין. האנזים הראשון בשרשרת נקרא תראונין דאמינאז, והוא זה שנושא את המנגנון שנתאר.

המנגנון: קשירה באתר נפרד שמעוותת את האתר הפעיל

כשריכוז התּוֹצָר הַסּוֹפִי (end product) בתא עולה, עולה גם תדירות ההתנגשויות שלו עם מולקולות תראונין דאמינאז. על פני האנזים הזה קיים כיס נוסף, נפרד מהאתר הפעיל ובנוי מחומצות אמינו אחרות לגמרי — אֲתָר אַלוֹסְטֵרִי (allosteric site). איזולאוצין נקשר דווקא שם, ומכאן שרשרת פיזיקלית ברורה: איזולאוצין נקשר לאתר האלוסטרי ← הקשרים החלשים בתוך החלבון מסתדרים מחדש ← המבנה המרחבי של כל האנזים משתנה ← האתר הפעיל מתעוות ← תראונין כבר אינו נכנס אליו בהתאמה יוצרת ← קצב השלב הראשון צונח ← כל השלבים שאחריו נותרים בלי סובסטרט ומאטים. זהו עִכּוּב אַלוֹסְטֵרִי (allosteric inhibition), וכשהמעכב הוא התוצר של אותו מסלול עצמו מכנים אותו מָשׁוֹב שְׁלִילִי (negative feedback).

הקשירה הזאת אינה קוולנטית: היא נשענת על קשרי מימן ועל אינטראקציות הידרופוביות, ולכן היא הפיכה. שיעור מולקולות האנזים שנמצאות ברגע נתון במצב הכבול נקבע כולו על ידי ריכוז האיזולאוצין. כשאיזולאוצין נצרך לבניית חלבונים חדשים ריכוזו החופשי יורד, הקשירה מתפרקת, האנזים חוזר למבנהו הפעיל והמסלול מתחדש. אין כאן החלטה ואין כאן ידיעה — יש ריכוז שמכתיב הסתברות קשירה. אפשר לחשוב על זה כעל דימר ולא כעל מתג: העיכוב הדרגתי, ומשום שאנזימים אלוסטריים בנויים לרוב מכמה תת־יחידות ומגיבים בעקומה תלולה, שינוי קטן בריכוז התוצר מתורגם לשינוי גדול בקצב. האנלוגיה נשברת בנקודה אחת: אצל דימר יש יד שמסובבת את הכפתור, וכאן המולקולות שנספרות הן בדיוק המולקולות שמסובבות אותו.

למה דווקא האנזים הראשון במסלול

שלוש תוצאות פיזיקליות מסבירות זאת. ראשית, השלב הראשון הוא נקודת ההסתעפות: תראונין משמש גם לבניית חלבונים ולמסלולים אחרים, ועיכוב בשלב הראשון משאיר אותו זמין לשימושים האלה, בעוד עיכוב בשלב הרביעי היה ממשיך לשאוב תראונין מהמאגר המשותף. שנית, אם היה מתעכב אנזים אמצעי, האנזימים שלפניו היו ממשיכים לפעול, ולחומרי הביניים שנוצרים אין מוצא אחר — ריכוזם היה מטפס, וריכוז גבוה של חומר ביניים דוחף תגובות צד ולעיתים פוגע במרכיבי התא. שלישית, כל שלב צורך אנרגיה וחומרי מוצא; חסימה בשלב מאוחר משאירה את ההשקעה הזאת כלואה בחומרי ביניים שאינם יכולים להתקדם ואינם יכולים לחזור אחורה.

עיכוב תחרותי מול עיכוב אלוסטרי

חשוב להבדיל בין העיכוב הזה לבין עִכּוּב תַּחֲרוּתִי (competitive inhibition) שכבר פגשתם. ההבדל אינו רק במיקום הקשירה אלא בהתנהגות הניסויית, וזה בדיוק מה שנבדק בשאלות הבגרות.

מה תפקיד המיטוכונדריון בתא?