확산제한효소

Diffusion-limited enzyme
알려진 효소 촉매 비율(kcat/KM)의 분포.대부분의 효소는 약 105 sM의−1−1 비율을 가지고 있다.우측 다크박스(>108 sM−1−1)에서 가장 빠른 효소는 확산한계에 의해 제약을 받는다.(참조에서[1] 채택한 데이터)

확산 제한 효소는 매우 효율적으로 반응을 촉진하여 속도 제한 단계는 활성 부위로의 기질 확산 또는 제품 확산이다.[2]이것은 운동적인 완벽함 또는 촉매적인 완벽함이라고도 알려져 있다.그러한 효소의 촉매변환율은 확산 제어 반응에 의해 설정되므로, 진화에 대한 본질적이고 물리적 제약(체력 환경의 최대 피크 높이)을 나타낸다.확산 제한적인 완벽한 효소는 매우 드물다.대부분의 효소는 이 한계보다 1,000배에서 10,000배 느린 속도에 반응한다.이는 어려운 반응의 화학적 한계와 그처럼 높은 반응률로 인해 추가적인 건강성을 부여하지 못하는 진화적 한계 때문이다.[1]

역사

(a) Alferty-Hammes-Eigen 모델과 (b) Chou의 모델을 보여주는 일러스트로서, 여기서 E는 활성 부위가 빨간색으로, 기질 S는 파란색으로 된 효소를 나타낸다.

확산 통제 반응 이론은 원래 R.A.에 의해 활용되었다.알베르트와 고든 햄메스, 만프레드 아이겐은 효소-하향반응의 상한치를 추정한다.[3][4]그들의 추정에 따르면,[3][4] 효소-하향 반응의 상한은 109 Ms였다−1−1.

1972년, 탄산 무수화효소에 의해 촉매된 HCO의23 탈수에서 실험적으로 얻은 2차 속도 상수는 약 1.5 × 1010−1 Ms로−1,[5] 단순화된 모델에 근거하여 Alfert, Hammes, Eigen이 추정하는 상한보다 한 자릿수 높은 것으로 관찰되었다.[3][4]

그러한 역설을 해결하기 위해 궈첸추와 그의 동료들은 효소와 기질 사이의 공간적 인자와 힘장 인자를 고려하여 모델을 제안했고, 상한선이 1010 Ms에−1−1 이를 수 있으며,[6][7][8] 분자생물학에서 놀라울 정도로 높은 반응률을 설명하는 데 사용될 수 있다는 것을 발견했다.[5][9][10]

츄 외가 효소-하향 반응에 대해 발견한 새로운 상한치는 일련의 후속 연구에 의해 더욱 논의되고 분석되었다.[11][12][13]

기질로 효소의 확산 조절 반응률 계산에 있어 단순화된 알프리트-함메스-아이겐의 모델(a)과 추의 모델(b)의 상세한 비교, 즉 효소-기하 반응의 상한에 대해 논문에 상세히 기술했다.[14]

메커니즘

키네틱적으로 완벽한 효소는 108~10Ms의9−1−1 순서로 특이성 상수인 kcat/K를 가지고m 있다. 효소-카탈리시스 반응의 속도는 확산에 의해 제한되므로 효소는 기질이 다른 분자와 마주치기 훨씬 전에 기질을 '처리'한다.[1]

어떤 효소는 확산 속도보다 빠른 운동성으로 작용하는데, 이는 불가능해 보인다.이 현상을 설명하기 위해 몇 가지 메커니즘이 작동되었다.일부 단백질은 기질을 안으로 끌어들여 2극성 전기장을 이용해 미리 방향을 잡음으로써 카탈루션을 가속화하는 것으로 여겨진다.어떤 사람들은 양자 또는 전자가 활성화 장벽을 통해 터널을 통과할 수 있는 양자-기계 터널링 설명을 요구한다.양성자 터널링 이론이 논쟁의 여지가 있는 아이디어로 남아 있다면,[15][16] 콩 리폭시겐아제의 경우 유일하게 가능한 메커니즘이라는 것이 입증되었다.[17]

진화

키네틱적으로 완벽한 효소가 많지 않다는 점에 주목할 필요가 있다.이것은 자연선택의 관점에서 설명할 수 있다.촉매 속도의 증가는 유기체에 어느 정도 유리할 수 있기 때문에 선호될 수 있다.그러나 촉매 속도가 확산 속도(즉, 활성 부지를 드나드는 기판과 맞닥뜨리는 기판)를 능가할 때 속도를 더 높일 수 있는 이점은 없다.확산 한계는 진화에 대한 절대적인 물리적 제약을 나타낸다.[1]확산 속도를 지나 촉매 속도를 증가시키는 것은 유기체에 어떤 식으로든 도움이 되지 않을 것이며, 따라서 피트니스 환경에서는 전지구적 최대치를 나타낸다.따라서 이러한 완벽한 효소는 우연히 퍼진 '행운의' 무작위 돌연변이에 의해 생겨났거나, 빠른 속도가 한때 효소의 조상에서 다른 반응의 일부로 유용했기 때문에 생겨났을 것이다.[citation needed]

예

참고 항목

참조

  1. ^ a b c d 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. ^ a b c Alberty, Robert A.; Hammes, Gordon G. (1958). "Application of the Theory of Diffusion-controlled Reactions to Enzyme Kinetics". Journal of Physical Chemistry. 62 (2): 154–9. doi:10.1021/j150560a005.
  4. ^ a b c 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. Advances in Enzymology and Related Subjects of Biochemistry. Vol. 25. pp. 1–38. doi:10.1002/9780470122709.ch1. ISBN 978-0-470-12270-9. OCLC 777630506. PMID 14149678.
  5. ^ 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. 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, Guo-Qiang (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. doi:10.1126/science.1088172. PMID 14716003. S2CID 17498715.
  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.