آنزیم با انتشار محدود

یک آنزیم محدود شده توسط انتشار، یک واکنش را به صورت کارآمدی کاتالیز می‌کند که مرحله محدود کننده سرعت آن انتشار زیرلایه به سطح فعال، یا انتشار محصول به بیرون است.[۱] این همچنین به عنوان کاملیت سینتیکی یا کمال کاتالیزی شناخته می‌شود. از آنجا که سرعت کاتالیز چنین آنزیم‌هایی توسط واکنش کنترل شده توسط انتشار تعیین می‌شود، بنابراین نشان دهنده یک محدودیت فیزیکی ذاتی بر روی تکامل است (حداکثر ارتفاع قله در چشم‌انداز سازگاری)آنزیم‌های کاملیت محدود به انتشار به ندرت دیده می‌شوند. بیشتر آنزیم‌ها واکنش‌های خود را با نرخی کاتالیزی که ۱٬۰۰۰ تا ۱۰٬۰۰۰ برابر کندی سرعت این محدودیت انجام می‌دهند. این موضوع به دلیل محدودیت‌های شیمیایی مربوط به واکنش‌های پیچیده و محدودیت‌های تکاملی است که سرعت‌های واکنش بالا هیچ سود اضافی در تطابق منظره سازگاری به آنزیم‌ها نمی‌بخشد.[۲]

تاریخچه

تئوری واکنش کنترل شده توسط انتشار در ابتدا توسط آر. آلبرتی، گوردون همز و منفرد آیگن استفاده شد تا سقف بالای واکنش آنزیم-ماده فعال را برآورد کند. طبق برآورد آن‌ها، سقف بالای واکنش آنزیم-ماده فعال برابر با 10⁹ M^-1 S^-1 می‌باشد.[۳]

در سال 1972 مشاهده شد که در فرآیند خشک‌ شدن H₂CO₃ تحت کاتالیز آنزیمی کربونیک آنهیدراز، ثابت نرخ دستور دوم که به صورت تجربی بدست آمده بود، حدود 1.5 × 10¹⁰ M ^-1 s^{-1 بود، که یک درجه از بالاتر از سقف حداکثری که توسط آلبرتی، همز و آیگن بر اساس یک مدل ساده برآورد شده بود، هست. برای پاسخ به چنین پارادوکسی، کو-چن چو و همکارانش یک مدل ارائه کردند که عوامل فضایی و عوامل میدان نیرو بین آنزیم و ماده فعال آن را مدنظر قرار داده و پی بردند که سقف بالا می‌تواند به 10^10 M-1 s-1 برسد.[۴] این مدل قادر است برخی از نرخ‌های واکنش بسیار بالا در زیست‌شناسی مولکولی را توضیح دهد.[۵]}

محدوده بالای جدیدی که توسط چو و همکارانش برای واکنش آنزیم-ماده فعال پیشنهاد شده است، مورد بحث و تجزیه و تحلیل در مطالعات پیگیری بیشتری قرار گرفته است. در این مقاله، مقایسه‌ی دقیقی بین مدل ساده آلبرتی-همز-آیگن (الف) و مدل چو (ب) در محاسبه نرخ واکنش کنترل شده توسط انتشار آنزیم با ماده فعال آن یا حداکثر مقدار واکنش آنزیم-ماده فعال ارائه شده است.[۶][۷]

سازو کار

آنزیم‌های سینتیکی کامل دارای ثابت اختصاصیت، k_cat/K_m، در مرتبه 10⁸ تا 10⁹ M^-1s^-1 هستند. سرعت واکنشی که توسط آنزیم کاتالیز می‌شود، توسط انتشار محدود می‌شود و به همین دلیل، آنزیم قبل از برخورد با مولکول دیگر، ماده فعال را به خوبی "پردازش" می‌کند.[۸]

بعضی از آنزیم‌ها با سرعت‌هایی عمل می‌کنند که سرعت انتشار را بیشتر می‌کند که به نظر می‌رسد غیرممکن باشد. چندین مکانیسم برای توضیح این پدیده مطرح شده است. برخی از پروتئین‌ها با استفاده از میدان‌های الکتریکی دیپل قطبی، فرایند کاتالیز را با جذب ماده فعال و پیش‌گرانش آن به سمت مناسب، شتاب می‌دهند. برخی از مکانیسم‌ها توضیحی مبنی بر تونل‌زنی کوانتومی مطرح می‌کنند، که در آن پروتون یا الکترون می‌توانند از طریق باریکه‌های فعال‌سازی تونل کنند. اگرچه نظریه تونل‌زنی پروتون همچنان یک مفهوم مورد بحث است، اما در مورد لیپواکسیژناز سویا، ثابت شده است که تنها مکانیسم ممکن است.[۹]

تکامل

مهم است به این نکته اشاره کرد که تعداد زیادی از آنزیم‌ها که سینتیکی کامل هستند وجود ندارند. این موضوع را می‌توان با توجه به انتخاب طبیعی توضیح داد. افزایش سرعت کاتالیز ممکن است به دلیل مزیتی که به سازمان می‌بخشد، مورد ترجیح قرار گیرد. با این حال، وقتی که سرعت کاتالیز از سرعت انتشار (یعنی ورود و خروج ماده فعال از محل فعال و همچنین برخورد با ماده فعال) بیشتر می‌شود، دیگر مزیتی برای افزایش سرعت وجود ندارد. محدودیت انتشار محدودیت فیزیکی مطلقی بر تکامل می‌باشد. افزایش سرعت کاتالیز فراتر از سرعت انتشار در هیچ نحوه‌ای به سازمان کمک نخواهد کرد و بنابراین یک حداکثر کلی در چشم‌اندازی از نظر تطابق است. بنابراین، این آنزیم‌های کامل باید به دلیل جهش تصادفی "خوش‌شانس" که اتفاقی رخ داد و گسترش یافت، یا به دلیل اینکه سرعت بیشتر در گذشته به عنوان بخشی از واکنش متفاوت در سلسله‌مراتب تکاملی آنزیم مفید بوده است، به وجود آمده باشند.

مثال ها

• استیل کولین استراز
• بتا-لاکتاماز
• کاتالاز
• کربنیک انهیدراز
• مونوکسید کربن
• دهیدروژناز
• سیتوکروم c پراکسیداز
• فوماراز
• سوپراکسید دیسموتاز

• تریوسفسفات ایزومراز

همچنین ببینید

• واکنش کنترل شده با انتشار
• آنزیم
• کاتالیز آنزیمی
• سینتیک آنزیم
• مهندسی آنزیم

منابع

1) Bar-Even, Arren; Noor, Elad; Savir, Yonatan; Liebermeister, Wolfram; Davidi, Dan; Tawfik, Dan S; Milo, Ron (2011). "The Moderately Efficient Enzyme: Evolutionary and Physicochemical Trends Shaping Enzyme Parameters". Biochemistry. 50 (21): 4402–10. doi:10.1021/bi2002289. PMID 21506553.

2) Berg, Jeremy M.; Tymoczko, J. L.; Stryer, L. (2006). "Oxidative phosphorylation". Biochemistry (5 ed.). pp. 491–526. ISBN 978-0716787242.

3) Berg, Jeremy M.; Tymoczko, J. L.; Stryer, L. (2006). "Oxidative phosphorylation". Biochemistry (5 ed.). pp. 491–526. ISBN 978-0716787242.

4) Eigen, Manfred; Hammes, Gordon G. (2006). "Elementary Steps in Enzyme Reactions (as Studied by Relaxation Spectrometry)". In Nord, F. F. (ed.). Advances in Enzymology and Related Areas of Molecular Biology. Vol. 25. pp. 1–38. doi:10.1002/9780470122709.ch1. ISBN 978-0-470-12270-9. OCLC 777630506. PMID 14149678.

5) Eoenig, 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. doi:10.1073/pnas.69.9.2422. JSTOR 61783. PMC 426955. PMID 4627028.

6) 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.

7) Chou, Kuo-Chen (1976). "The kinetics of the combination reaction between enzyme and substrate". Scientia Sinica. 19 (4): 505–28. PMID 824728.

8) 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.

9) Riggs, Arthur D; Bourgeois, Suzanne; Cohn, Melvin (1970). "The lac represser-operator interaction". Journal of Molecular Biology. 53 (3): 401–17. doi:10.1016/0022-2836(70)90074-4. PMID 4924006.

10) Kirschner, Kasper; Gallego, Ernesto; Schuster, Inge; Goodall, David (1971). "Co-operative binding of nicotinamide-adenine dinucleotide to yeast glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase". Journal of Molecular Biology. 58 (1): 29–50. doi:10.1016/0022-2836(71)90230-0. PMID 4326080.

11) 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): 1409–1413. doi:10.1021/ja00369a043.

12) Payens, T.A.J (1983). "Why are enzymes so large?". Trends in Biochemical Sciences. 8 (2): 46. doi:10.1016/0968-0004(83)90382-1.

13) Zhou, Guozhi; Wong, Ming-Tat; Zhou, GuoQiang (1983). "Diffusion-controlled reactions of enzymes". Biophysical Chemistry. 18 (2): 125–32. doi:10.1016/0301-4622(83)85006-6. PMID 6626685.

14) Zhou, Guo-Qiang; Zhong, Wei-Zhu (1982). "Diffusion-Controlled Reactions of Enzymes". European Journal of Biochemistry. 128 (2–3): 383–7. doi:10.1111/j.1432-1033.1982.tb06976.x. PMID 7151785.

15) Garcia-Viloca, M; Gao, Jiali; Karplus, Martin; Truhlar, Donald G (2004). "How Enzymes Work: Analysis by Modern Rate Theory and Computer Simulations". Science. 303 (5655): 186–95. Bibcode:2004Sci...303..186G.

16) Olsson, Mats H. M.; Siegbahn, Per E. M.; Warshel, Arieh (2004). "Simulations of the Large Kinetic Isotope Effect and the Temperature Dependence of the Hydrogen Atom Transfer in Lipoxygenase". Journal of the American Chemical Society. 126 (9): 2820–8. doi:10.1021/ja037233l. PMID 14995199

17) Jevtic, S; Anders, J (2017). "A qualitative quantum rate model for hydrogen transfer in soybean lipoxygenase". The Journal of Chemical Physics. 147 (11): 114108. arXiv:1612.03773. Bibcode:2017JChPh.147k4108J. doi:10.1063/1.4998941. PMID 28938801. S2CID 11202267.

18) Domnik, Lilith; Merrouch, Meriem; Goetzl, Sebastian; Jeoung, Jae-Hun; Léger, Christophe; Dementin, Sébastien; Fourmond, Vincent; Dobbek, Holger (2017-11-27). "CODH-IV: A High-Efficiency CO-Scavenging CO Dehydrogenase with Resistance to O2" (PDF). Angewandte Chemie International Edition. 56 (48): 15466–15469. doi:10.1002/anie.201709261. ISSN 1521-3773. PMID 29024326.