Difuzijski limitirani enzim

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Jump to navigation Jump to search
Distribucija poznate katalitske stope enzima (kcat/KM). Većina enzima ima stopu oko 105 s−1M−1.
Najbrži enzima u tamnom boksu desno (>108 s−1M−1) su ograničeni limitom difuzije.[1])

Difuzijski limitirani enzim, poznat i kao katalitski perfektan enzim, je enzim sa katalitskom reakcijom koja je tako efikasna da je stopa ograničavajućeg koraka difuzija supstrata u aktivno mjesto, ili difuzija proizvoda – napolje. Ovo je također poznato kao kinetičkog savršenstvo ili katalitsko savršenstvo. S obzirom da je stopa katalize takvih enzima određena kontrolom difuzije, ono predstavlja suštinsko, fizičko ograničenje za evoluciju (maksimalna visina fitnesa u određenom okruženju). Difuzijom ograničeni, savršeni enzimi su vrlo rijetki. Većina enzima kataliziraju reakcije brzinom koja je oko 1.000-10.000 puta sporija od tog ograničenja. To je zbog toga što je ograničenje teška hemijska reakcija, a evolucijska ograničenja koja imaju tako visoke stope reakcija, ne daju nikakav dodatni fitnes.

Historija[uredi | uredi izvor]

Ilustracija (a) Alberty-Hammes-Eigenovog modela i (b) Chouovog modela
E je enzim čije jeaktivno mjesto označeno crveno, a supstrat S – plavo.

Teoriju difuzijski kontrolirane reakcije su originalno predložili R.A. Alberty, Gordon Hammes i Manfred Eigen u procjeni gornjeg limita reakcije enzim-supstrat.[2][3] Prema njihovoj procjeni, gornji limit reakcije enzim-supstrat bio je 109 M−1 s−1. U 1972., u dehidraciji H2CO3 koja je katalizirana ugljik anhidrazom, stopa konstante drugog reda, koja je dobijena eksperimentalno, bila je oko 1.5 × 1010 M−1 s−1,[4] što je bila jedna red veličine većih od gornje granice koju su procijenili Alberty, Hammes i Eigen, zasnovano na pojednostavljenom modelu.

Za rješavanje takvog paradoksa, Kuo-Chen Chou i njegovi suradnici predložili su model koji uzima u obzir prostorni faktor i snaga na terenu između enzima i njegove podloge i otkrili da gornja granica može dostići 1010 M−1 s−1,[5][6][7] i može objasniti iznenađujuće visoke stope reakcije u molekularnoj biologiji.[4][8][9]

Novi gornji limit koji su našli Chou et al. Za reakciju enzim-supstrat je dalje didkutiran i analiziran u više istraživanja.[10] [11] [12]

U narednim radovima, detaljno analizirano poređenje između pojednostavljenog Alberty-Hammes-Eigenovog modela (a) i Chouovog modela (b), u kalkulaciji difuzijom kontrolirane stope reakcije.[13]

Mehanizam[uredi | uredi izvor]

Kinetički perfektni enzimi imaju konstantu specisfičnosti, kcat/Km, na razino 108 to 109 M−1 s−1. Ova stopa enzimski kataliziranih reakcija je ograničena difuzijom i tako enzim procesuira supstrat i prije nego što naiđe drugi molekula. Neki enzimi djeluju uz kinetiku koja je brže od stope difuzije, što je, čini se, nemoguće. Nekoliko mehanizama je prizivano i da objasne ovaj fenomen. Za neke proteine se vjeruje da ubrzavaju katalizu povlačenjem svoje podloge i preusmjeravaju ih pomoću dipolarnog električnog polja. Neki se pozivaju na kvantno-mehanički tuneliranje. Objašnjenje u kojem proton ili elektron može tunelirati kroz aktivirane barijere, iako protonsko tuneliranje ostaje pomalo kontroverzna ideja.[14][15]

Evolucija[uredi | uredi izvor]

Važno je napomenuti da nema mnogo kinetički savršenih enzima. To se može objasniti djelovanjem prirodne selekcije. Povećanje katalitičke brzine može biti favorizirano jer može donijeti neke prednosti za organizam. Međutim, kada katalitska brzina nadmašuje brzinu difuzije (odnosno podloge ulaze i izlaze iz aktivnog mjesta i susreću sa podlogom) ne postoji više prednost, ako se još više poveća brzina. Granica difuzije predstavlja apsolutno fizičko ograničenje u evoluciji. Povećanje prošle katalitskke brzine i brzina difuzije neće pomoći organizmu na bilo koji način i tako predstavlja globalni maksimum u fitnesu na okoliš. Stoga ova savršena enzima mora da je došlo do "sreće" random mutacija koji se dogodilo da se širi, ili zato što je veće brzine je nekada bila korisna kao dio različitih reakcija u poreklo enzima.

Primjeri[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Bar-Even, A; Noor, E; Savir, Y; Liebermeister, W; Davidi, D; Tawfik, DS; Milo, R (May 31, 2011). "The moderately efficient enzyme: evolutionary and physicochemical trends shaping enzyme parameters.". Biochemistry 50 (21): 4402–10. PMID 21506553. doi:10.1021/bi2002289. 
  2. ^ Alberty, Robert A.; Hammes, Gordon G. (1958). Journal of Physical Chemistry 62 (2): 154–9. doi:10.1021/j150560a005.  Nedostaje ili je prazan |title= (pomoć)
  3. ^ Eigen, Manfred; Hammes, Gordon G. (2006). "Elementary Steps in Enzyme Reactions (as Studied by Relaxation Spectrometry)". u Nord, F. F. Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology. str. 1–38. ISBN 978-0-470-12270-9. OCLC 777630506. doi:10.1002/9780470122709.ch1. 
  4. ^ a b Koenig, Seymour H.; Brown, Rodney D. (1972). "H2CO3 as Substrate for Carbonic Anhydrase in the Dehydration of HCO3". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 69 (9): 2422–5. Bibcode:1972PNAS...69.2422K. JSTOR 61783. PMC 426955. PMID 4627028. doi:10.1073/pnas.69.9.2422. 
  5. ^ Chou, Kuo-Chen; Jiang, Shou-Ping (1974). "Studies on the rate of diffusion-controlled reactions of enzymes. Spatial factor and force field factor". Scientia Sinica 27 (5): 664–80. PMID 4219062. 
  6. ^ Chou, Kuo-Chen (1976). "The kinetics of the combination reaction between enzyme and substrate". Scientia Sinica 19 (4): 505–28. PMID 824728. 
  7. ^ Li, TT; Chou, KC (1976). "The quantitative relations between diffusion-controlled reaction rate and characteristic parameters in enzyme-substrate reaction systems. I. Neutral substrates". Scientia Sinica 19 (1): 117–36. PMID 1273571. 
  8. ^ Riggs, Arthur D.; Bourgeois, Suzanne; Cohn, Melvin (1970). "The lac represser-operatorinteraction: III. Kineticstudies". Journal of Molecular Biology 53 (3): 401–17. PMID 4924006. doi:10.1016/0022-2836(70)90074-4. 
  9. ^ Kirschner, Kasper; Gallego, Ernesto; Schuster, Inge; Goodall, David (1971). "Co-operative binding of nicotinamide-adenine dinucleotide to yeast glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase: I. Equilibrium and temperature-jump studies at pH 8.5 and 40 °C". Journal of Molecular Biology 58 (1): 29–50. PMID 4326080. doi:10.1016/0022-2836(71)90230-0. 
  10. ^ Chou, Kuo Chen; Zhou, Guo Ping (1982). "Role of the protein outside active site on the diffusion-controlled reaction of enzymes". Journal of the American Chemical Society 104 (5): 1409–13. doi:10.1021/ja00369a043. 
  11. ^ Payens, T.A.J. (1983). "Why are enzymes so large?". Trends in Biochemical Sciences 8: 46. doi:10.1016/0968-0004(83)90382-1. 
  12. ^ Zhou, Guozhi; Wong, Ming-Tat; Zhou, Guo-Qiang (1983). "Diffusion-controlled reactions of enzymes: An approximate analytic solution of Chou's model". Biophysical Chemistry 18 (2): 125–32. PMID 6626685. doi:10.1016/0301-4622(83)85006-6. 
  13. ^ Zhou, Guo-Qiang; Zhong, Wei-Zhu (1982). "Diffusion-Controlled Reactions of Enzymes". European Journal of Biochemistry 128 (2–3): 383–7. PMID 7151785. doi:10.1111/j.1432-1033.1982.tb06976.x. 
  14. ^ Mireia Garcia-Viloca, Jiali Gao, Martin Karplus, Donald G. Truhlar Science 9 January 2004:Vol. 303. no. 5655, pp. 186 - 195
  15. ^ Mats M. H. Olsson, Per E. M. Siegbahn, Warshel A. J Am Chem Soc. 2004 Mar 10;126(9):2820-2828.