Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Распределение известных каталитических скоростей фермента ( k кат / K M ). Скорость большинства ферментов составляет около 10 5 с -1 M -1 . Самые быстрые ферменты в темном прямоугольнике справа (> 10 8 с -1 M -1 ) ограничены пределом диффузии. (Данные адаптированы из ссылки [1] )

Ограниченная диффузия фермент катализирует реакцию настолько эффективен , что скорость лимитирующей стадии является то , что подложки диффузии в активный центр , или продукт диффузии наружу. [2] Это также известно как кинетическое совершенство или каталитическое совершенство . Поскольку скорость катализа таких ферментов определяется реакцией , контролируемой диффузией , она, следовательно, представляет собой внутреннее физическое ограничение для эволюции (максимальная высота пика в ландшафте пригодности). Совершенные ферменты с ограниченной диффузией очень редки. Большинство ферментов катализируют свои реакции со скоростью в 1000–10 000 раз медленнее этого предела. Это связано как с химическими ограничениями сложных реакций, так и с эволюционными ограничениями, заключающимися в том, что такие высокие скорости реакций не дают никакой дополнительной пригодности . [1]

История [ править ]

Иллюстрация, показывающая (а) модель Альберти-Хэммса-Эйгена и (б) модель Чоу, где E обозначает фермент, активный сайт которого окрашен в красный цвет, а субстрат S - в синий.

Теория контролируемой диффузией реакции была первоначально использована Р. А. Альберти, Гордоном Хаммесом и Манфредом Эйгеном для оценки верхнего предела реакции фермент-субстрат. [3] [4] По их оценке, [3] [4] верхний предел фермент-субстратной реакции составлял 10 9 M -1 с -1 .

В 1972 году было замечено, что при дегидратации H 2 CO 3, катализируемой карбоангидразой , константа скорости второго порядка, полученная экспериментально, составляла примерно 1,5 × 10 10 М -1 с -1 , [5] что было на один порядок величины. выше верхнего предела, оцененного Олберти, Хэммсом и Эйгеном на основе упрощенной модели. [3] [4]

Чтобы решить этот парадокс, профессор Куо-Чен Чоу и его сотрудники предложили модель, учитывающую пространственный фактор и фактор силового поля между ферментом и его субстратом, и обнаружили, что верхний предел может достигать 10 10 M -1. с -1 , [6] [7] [8] и может быть использован для объяснения некоторых удивительно высоких скоростей реакций в молекулярной биологии. [5] [9] [10]

Новый верхний предел, установленный Chou et al. для фермент-субстратной реакции обсуждалась и анализировалась в серии последующих исследований. [11] [12] [13]

Подробное сравнение между упрощенной моделью Альберти-Хэммса-Эйгена ( а ) и моделью Чоу ( б ) при расчете контролируемой диффузией скорости реакции фермента с его субстратом или верхнего предела фермент-субстратной реакции было разработано в бумага. [14]

Механизм [ править ]

Кинетически совершенные ферменты имеют постоянную специфичность , к кот / K м , от порядка 10 8 до 10 9 М -1 с -1 . Скорость реакции, катализируемой ферментами, ограничена диффузией, поэтому фермент «обрабатывает» субстрат задолго до того, как он встретит другую молекулу. [1]

Некоторые ферменты работают с кинетикой, превышающей скорость диффузии, что казалось бы невозможным. Для объяснения этого явления было задействовано несколько механизмов. Считается, что некоторые белки ускоряют катализ, втягивая свой субстрат и предварительно ориентируя его с помощью диполярных электрических полей. Некоторые ссылаются на квантово-механическое туннельное объяснение, согласно которому протон или электрон могут туннелировать через активационные барьеры. Если теория туннелирование протона остается спорную мысль, [15] [16] было доказано, что единственно возможный механизм в случае сои липоксигеназы. [17]

Эволюция [ править ]

Стоит отметить, что кинетически совершенных ферментов не так много. Это можно объяснить естественным отбором . Можно способствовать увеличению каталитической скорости, так как это может дать организму некоторые преимущества. Однако, когда каталитическая скорость превышает скорость диффузии (т.е. субстраты входят в активный центр и покидают его, а также сталкиваются с субстратами), больше нет преимущества для дальнейшего увеличения скорости. Предел диффузии представляет собой абсолютное физическое ограничение эволюции. [1] Увеличение каталитической скорости сверх скорости диффузии никоим образом не поможет организму и, таким образом, представляет собой глобальный максимум в фитнес-ландшафте . Следовательно, эти совершенные ферменты, должно быть, возникли в результате случайных мутаций.что случилось, или потому, что более высокая скорость когда-то использовалась как часть другой реакции в происхождении фермента. [ необходима цитата ]

Примеры [ править ]

  • Ацетилхолинэстераза
  • β-лактамаза
  • Каталаза
  • Карбоангидраза
  • Дегидрогеназа монооксида углерода [18]
  • Цитохром с пероксидаза
  • Фумараза
  • Супероксиддисмутаза
  • Триозофосфат изомераза

См. Также [ править ]

  • Реакция, контролируемая диффузией
  • Фермент
    • Ферментный катализ
    • Кинетика ферментов
    • Ферментная инженерия

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Бар-Эвен, Аррен; Нур, Элад; Савир, Йонатан; Либермейстер, Вольфрам; Давиди, Дэн; Тауфик, Дэн С; Майло, Рон (2011). «Умеренно эффективный фермент: эволюционные и физико-химические тенденции, определяющие параметры ферментов». Биохимия . 50 (21): 4402–10. DOI : 10.1021 / bi2002289 . PMID  21506553 .
  2. ^ Берг, Джереми М .; Тимочко, JL; Страйер, Л. (2006). "Окислительного фосфорилирования". Биохимия (5-е изд.). С. 491–526. ISBN 978-0716787242.
  3. ^ a b c Олберти, Роберт А.; Хэммс, Гордон Г. (1958). «Применение теории реакций, контролируемых диффузией, к кинетике ферментов». Журнал физической химии . 62 (2): 154–9. DOI : 10.1021 / j150560a005 .
  4. ^ a b c Эйген, Манфред; Хэммс, Гордон Г. (2006). «Элементарные этапы ферментативных реакций (по данным релаксационной спектрометрии)». In Nord, FF (ред.). Достижения в энзимологии и смежных областях молекулярной биологии . С. 1–38. DOI : 10.1002 / 9780470122709.ch1 . ISBN 978-0-470-12270-9. OCLC  777630506 . PMID  14149678 .
  5. ^ a b Koenig, Seymour H .; Браун, Родни Д. (1972). «H 2 CO 3 как субстрат для карбоангидразы при дегидратации HCO 3 - » . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 69 (9): 2422–5. Bibcode : 1972PNAS ... 69.2422K . DOI : 10.1073 / pnas.69.9.2422 . JSTOR 61783 . PMC 426955 . PMID 4627028 .   
  6. ^ Чжоу, Куо-Чен; Цзян, Шоу-Пин (1974). «Исследования скорости контролируемых диффузией реакций ферментов. Пространственный фактор и фактор силового поля». Scientia Sinica . 27 (5): 664–80. PMID 4219062 . 
  7. ^ Chou, Kuo-Chen (1976). «Кинетика реакции сочетания фермента и субстрата». Scientia Sinica . 19 (4): 505–28. PMID 824728 . 
  8. ^ Ли, TT; Чжоу, KC (1976). «Количественные отношения между скоростью реакции, контролируемой диффузией, и характеристическими параметрами в реакционных системах фермент-субстрат. I. Нейтральные субстраты». Scientia Sinica . 19 (1): 117–36. PMID 1273571 . 
  9. ^ Риггс, Артур Д; Буржуа, Сюзанна; Кон, Мелвин (1970). «Лак-репрессор-операторское взаимодействие». Журнал молекулярной биологии . 53 (3): 401–17. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (70) 90074-4 . PMID 4924006 . 
  10. ^ Киршнер, Каспер; Гальего, Эрнесто; Шустер, Инге; Гудолл, Дэвид (1971). «Совместное связывание никотинамид-адениндинуклеотида с дрожжевым глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой». Журнал молекулярной биологии . 58 (1): 29–50. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (71) 90230-0 . PMID 4326080 . 
  11. ^ Чоу, Куо Чен; Чжоу, Го Пин (1982). «Роль белка вне активного центра в контролируемой диффузией реакции ферментов». Журнал Американского химического общества . 104 (5): 1409–1413. DOI : 10.1021 / ja00369a043 .
  12. ^ Payens, ТАД (1983). «Почему ферменты такие большие?». Направления биохимических наук . 8 (2): 46. DOI : 10,1016 / 0968-0004 (83) 90382-1 .
  13. ^ Чжоу, Гочжи; Вонг, Мин-Тат; Чжоу, Го-Цян (1983). «Диффузионно-контролируемые реакции ферментов». Биофизическая химия . 18 (2): 125–32. DOI : 10.1016 / 0301-4622 (83) 85006-6 . PMID 6626685 . 
  14. ^ Чжоу, Го-Цян; Чжун, Вэй-Чжу (1982). «Реакции ферментов, контролируемые диффузией». Европейский журнал биохимии . 128 (2–3): 383–7. DOI : 10.1111 / j.1432-1033.1982.tb06976.x . PMID 7151785 . 
  15. ^ Гарсия-Вилока, М; Гао, Цзяли; Карплюс, Мартин; Трулар, Дональд Дж. (2004). «Как работают ферменты: анализ с помощью современной теории скорости и компьютерного моделирования». Наука . 303 (5655): 186–95. Bibcode : 2004Sci ... 303..186G . DOI : 10.1126 / science.1088172 . PMID 14716003 . S2CID 17498715 .  
  16. ^ Olsson, Матс HM; Зигбан, Пер Э.М.; Варшел, Арие (2004). «Моделирование большого кинетического изотопного эффекта и температурной зависимости переноса атома водорода в липоксигеназе». Журнал Американского химического общества . 126 (9): 2820–8. DOI : 10.1021 / ja037233l . PMID 14995199 . 
  17. ^ Jevtic, S; Андерс, Дж (2017). «Качественная квантовая модель скорости переноса водорода в липоксигеназе сои». Журнал химической физики . 147 (11): 114108. arXiv : 1612.03773 . Bibcode : 2017JChPh.147k4108J . DOI : 10.1063 / 1.4998941 . PMID 28938801 . S2CID 11202267 .  
  18. ^ Домник, Лилит; Мерруш, Мерием; Гетцль, Себастьян; Чжон, Джэ-Хун; Леже, Кристоф; Дементин, Себастьен; Фурмонд, Винсент; Доббек, Хольгер (27.11.2017). «CODH-IV: CO-дегидрогеназа с высокой степенью очистки от CO с устойчивостью к O2» (PDF) . Angewandte Chemie International Edition . 56 (48): 15466–15469. DOI : 10.1002 / anie.201709261 . ISSN 1521-3773 . PMID 29024326 .